펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도(IBS 제공)© 뉴스1

기초과학연구원(IBS)은 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 원자가 결합해 분자가 탄생하는 모든 과정을 실시간으로 관찰하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

연구팀은 펨토 초(1/1000조 초)의 순간을 관측하기 위해 특수 광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토 초 엑스선 펄스)를 이용했다. 이를 통해 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는데 성공했다.

물질을 이루는 기본 단위인 원자들은 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 하지만 원자는 수 펨토 초에 옹스트롬(1/1억 cm) 수준만 움직이기 때문에 그 움직임을 실시간으로 포착하기는 어려웠다.

펨토초 엑스선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘(IBS 제공)© 뉴스1

이에 연구팀은 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법과 구조 변화 모델링 분석기법으로 금 삼합체(gold trimer) 분자의 형성과정을 관찰했다.그 결과 세 개의 금 원자를 선형으로 잇는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라 한 결합이 35펨토 초 만에 먼저 빠르게 형성되고, 360펨토 초 뒤 나머지 결합이 순차적으로 형성됨을 규명했다.

이 밖에도 연구팀은 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.

연구팀은 향후 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.

김종구 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 선임연구원© 뉴스1

김종구 선임연구원(제 1저자)은 “장기적 관점에서 꾸준히 연구해 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 ‘펨토초 엑스선 회절법’을 완성할 수 있었다”며 “앞으로 다양한 유‧무기 촉매 반응과 체내에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀내게 되면 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련된 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처(Nature)’ 온라인판에 25일 0시(한국시간) 게재됐다.


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