'1조분의 1초'만에 원자가 분자로 바뀌는 전 과정 세계 최초 포착

2020.06.25 00:00

이효철 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장(왼쪽)과 김종구 IBS 선임연구원 연구팀은 원자가 결합해 분자로 변하는 전 과정을 처음으로 관측하는 데 성공했다. 과학기술정보통신부 제공

사과가 갈색으로 변하거나 김치가 익는 것처럼 일상생활 속 모든 화학 반응은 원자가 만나 분자로 변하는 과정을 통해 이뤄진다. 하지만 생활 속 반응과 달리 원자가 분자로 변화는 과정은 지금까지 알 수 없었다. 너무 작은 원자가 1조 분의 1초 내의 짧은 시간에 움직이는 것을 포착해야 하기 때문이다.

관측이 어렵던 원자가 결합해 분자로 변하는 모든 과정을 국내 연구팀이 세계 최초로 포착해내는 데 성공했다. 이효철 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장 연구팀은 이같은 연구결과를 이달 25일 국제학술지 ‘네이처’에 밝혔다.

물질의 기본 단위인 원자는 화학결합을 통해 분자를 만든다. 이 과정에서 원자는 수 펨토초(1000조분의 1초)에 100억 분의 1m 정도만 움직인다. 이를 실시간으로 포착하기 쉽지 않다. 연구팀은 X-선을 짧은 시간 동안 쏘아 회절 신호를 읽어 원자의 위치와 움직임을 파악하는 ‘펨토초 X-선 회절법’을 개발해 원자의 결합 과정을 들여다보는 데 성공했다. 분자에 X-선을 쏘면 원자의 위치에 따라 다양한 회절 신호가 나오는데 이를 통해 실제 구조를 유추하는 방법이다.

연구팀이 밝혀낸 금 원자가 분자로 결합하는 과정이다. 과학기술정보통신부 제공

연구팀은 금 원자 세 개가 나란히 이어진 형태인 금 삼합체 분자의 형성과정을 관찰했다. 그 결과 세 개의 금 원자를 잇는 화학결합 두 개가 시차를 두고 형성되는 것을 확인했다. 결합이 시작하면 우선 한 결합이 35펨토초 만에 형성됐다. 이후 325펨토초의 시차를 두고 나머지 결합이 완성됐다. 결합이 끝나는 데 360펨토초가 걸린 것이다. 결합이 형성된 후 원자는 같은 자리에 머물지 않고 원자간 거리가 늘어났다 줄어드는 진동운동을 하는 것으로 나타났다.

이번 연구는 이 부연구단장 연구팀이 화학결합을 관찰한 3부작 연구의 마지막 격이다. 연구팀은 이아이오딘화에탄(C2H4I2)의 분자결합이 끊어지는 순간을 관찰한 결과를 2005년 국제학술지 ‘사이언스’에, 금 삼합체 분자가 탄생하는 순간의 구조를 관측한 결과를 2015년 네이처에 발표한 바 있다. 이번에 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정을 세계 최초로 관찰하는 데 성공하며 이전 연구들에서 찾아내지 못했던 중간 과정을 밝혀낸 셈이다.

연구팀은 2015년 분자가 탄생한 순간의 구조를 관측한 연구결과를 발표했다. 이번 연구는 이 시점을 더욱 세분화해 관찰한 결과다. 과학기술정보통신부 제공

이전에는 500펨토초에 한번 관측할 수 있어 전 과정을 보는 게 어려웠으나 방사광가속기 기술이 발전하며 길이 열렸다. 연구팀은 370펨토초 단위로 관측 가능한 일본 이화학연구소(RIKEN) 스프링8 X-선자유전자레이저(SACRA)를 이용해 실시간 관측을 시작했다. 2017년 포항에 4세대 방사광가속기가 설치된 후로는 이 가속기의 X-선자유전자레이저를 이용해 연구했다. 포항 레이저의 분해능은 150펨토초 정도로 여전히 실시간보다는 부족하나 연구팀은 촬영을 여러 번 해 시간 사이 숨은 정보를 추출했다. 이 부연구단장은 “자를 보면 눈금은 1mm지만 이보다 작은 것도 눈으로 보며 잴 수 있다”며 “시간 분해능의 10분의 1까지는 파악이 가능하다”고 말했다.

김종구 IBS 선임연구원은 “장기적 관점에서 꾸준히 연구한 끝에 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 기법을 완성할 수 있었다”며 “다양한 촉매 반응과 채네이서 일어나는 생화학적 반응의 메커니즘을 밝혀내면 효율 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련한 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

사과가 갈색으로 변하거나 김치가 익는 것처럼 일상생활 속 모든 화학 반응은 원자가 만나 분자로 변하는 과정을 통해 이뤄진다. 하지만 생활 속 반응과 달리 원자가 분자로 변화는 과정은 지금까지 알 수 없었다. 너무 작은 원자가 1조 분의 1초 내의 짧은 시간에 움직이는 것을 포착해야 하기 때문이다.

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관측이 어렵던 원자가 결합해 분자로 변하는 모든 과정을 국내 연구팀이 세계 최초로 포착해내는 데 성공했다. 이효철 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장 연구팀은 이같은 연구결과를 이달 25일 국제학술지 ‘네이처’에 밝혔다.

물질의 기본 단위인 원자는 화학결합을 통해 분자를 만든다. 이 과정에서 원자는 수 펨토초(1000조분의 1초)에 100억 분의 1m 정도만 움직인다. 이를 실시간으로 포착하기 쉽지 않다. 연구팀은 X-선을 짧은 시간 동안 쏘아 회절 신호를 읽어 원자의 위치와 움직임을 파악하는 ‘펨토초 X-선 회절법’을 개발해 원자의 결합 과정을 들여다보는 데 성공했다. 분자에 X-선을 쏘면 원자의 위치에 따라 다양한 회절 신호가 나오는데 이를 통해 실제 구조를 유추하는 방법이다.

연구팀이 밝혀낸 금 원자가 분자로 결합하는 과정이다. 과학기술정보통신부 제공

연구팀은 금 원자 세 개가 나란히 이어진 형태인 금 삼합체 분자의 형성과정을 관찰했다. 그 결과 세 개의 금 원자를 잇는 화학결합 두 개가 시차를 두고 형성되는 것을 확인했다. 결합이 시작하면 우선 한 결합이 35펨토초 만에 형성됐다. 이후 325펨토초의 시차를 두고 나머지 결합이 완성됐다. 결합이 끝나는 데 360펨토초가 걸린 것이다. 결합이 형성된 후 원자는 같은 자리에 머물지 않고 원자간 거리가 늘어났다 줄어드는 진동운동을 하는 것으로 나타났다.

이번 연구는 이 부연구단장 연구팀이 화학결합을 관찰한 3부작 연구의 마지막 격이다. 연구팀은 이아이오딘화에탄(C2H4I2)의 분자결합이 끊어지는 순간을 관찰한 결과를 2005년 국제학술지 ‘사이언스’에, 금 삼합체 분자가 탄생하는 순간의 구조를 관측한 결과를 2015년 네이처에 발표한 바 있다. 이번에 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정을 세계 최초로 관찰하는 데 성공하며 이전 연구들에서 찾아내지 못했던 중간 과정을 밝혀낸 셈이다.

연구팀은 2015년 분자가 탄생한 순간의 구조를 관측한 연구결과를 발표했다. 이번 연구는 이 시점을 더욱 세분화해 관찰한 결과다. 과학기술정보통신부 제공

이전에는 500펨토초에 한번 관측할 수 있어 전 과정을 보는 게 어려웠으나 방사광가속기 기술이 발전하며 길이 열렸다. 연구팀은 370펨토초 단위로 관측 가능한 일본 이화학연구소(RIKEN) 스프링8 X-선자유전자레이저(SACRA)를 이용해 실시간 관측을 시작했다. 2017년 포항에 4세대 방사광가속기가 설치된 후로는 이 가속기의 X-선자유전자레이저를 이용해 연구했다. 포항 레이저의 분해능은 150펨토초 정도로 여전히 실시간보다는 부족하나 연구팀은 촬영을 여러 번 해 시간 사이 숨은 정보를 추출했다. 이 부연구단장은 “자를 보면 눈금은 1mm지만 이보다 작은 것도 눈으로 보며 잴 수 있다”며 “시간 분해능의 10분의 1까지는 파악이 가능하다”고 말했다.

김종구 IBS 선임연구원은 “장기적 관점에서 꾸준히 연구한 끝에 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 기법을 완성할 수 있었다”며 “다양한 촉매 반응과 채네이서 일어나는 생화학적 반응의 메커니즘을 밝혀내면 효율 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련한 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.