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1000조 분의 1초, 원자 하나하나의 움직임까지 파악한다

IBS 연구진 '펨토초 X선 산란법' 이용해 화학반응 전 과정 관측 성공
"거대분자에서 일어나는 반응·촉매분자의 반응 등 규명해 나갈 것"

(서울=뉴스1) 김승준 기자 | 2020-06-25 00:00 송고
김종구 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 선임연구원이 지난 24일 세종시 어진동 과학기술정보통신부 기자실에서 '분자가 탄생하는 모든 순간 포착 성공' 브리핑을 하고 있다. 연구팀은 1000조분의 1초를 관측할 수 있는 특수광원으로 화학결합 생성의 전 과정 관측에 성공했다고 설명했다. 2020.6.25/뉴스1 © News1 장수영 기자

1000조 분의 1초 시간 간격 수준으로 원자들이 움직이는 과정을 순간 포착해 화학반응과정을 더 면밀히 살필 수 있게 됐다.

과학기술정보통신부와 기초과학연구원(IBS)은 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단의 이효철 부연구단장 연구팀이 화학 반응 과정에서 원자·분자가 어떻게 움직이고 결합하는지 실시간에 가깝게 관측하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.

연구진은 2005년에는 분자결합이 끊어지는 순간을, 2015년에는 화학결합으로 분자가 탄생하는 순간을 원자 수준에서 관측한 바 있다. 2005년 연구결과는 국제 학술지 사이언스(Science)에 2015년 연구는 네이처(Nature)에 발표했다. 지난 연구에 이어 이번에는 화학반응의 시작부터 끝까지 원자의 위치와 원자간 거리, 움직임을 관측하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 국제학술지 네이처에 게재됐다.

물질을 이루는 기본 단위인 원자는 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 이때 원자는 1000조 분의 1초(펨토초, fs) 초에 100억분의 1미터(옹스트롬, Å) 수준으로 움직이기 때문에 그 움직임을 실시간으로 포착하기는 어렵다. 게다가 화학반응과정 중인 전이상태(transition state)의 물질은 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 관찰이 더욱 까다롭다.

카메라 셔터가 열리는 순간 필름·이미지 센서로 빛이 들어오고 찰칵 닫히는 순간 빛이 차단된다. 셔터가 열려서 닫히는 시간이 길수록 빛이 많이 들어오지만 움직이는 물체를 찍을 때는 잔상이 남는다. 셔터를 여닫는 속도가 빨라질수록 짧은 순간의 빛만을 담을 수 있어 잔상없이 깨끗하게 찍어낼 수 있다.

과학자들이 원자·분자 구조를 파악하는 방법의 하나는 X선 산란법이다. X선 산란법은 구조를 알고 싶은 물질에 X선을 쬐어주고 나오는 신호를 분석해 구조를 분석해내는 기술이다. DNA 이중나선 구조를 이 방법으로 알아냈다.

카메라로 순간 포착을 하기위해 셔터를 빠르게 여닫아 짧은 순간의 빛(광선)을 이용하는 것처럼 아주 짧은 순간의 X선을 이용하면 순간순간의 물질 변화를 관측 할 수 있다. 연구진의 목적은 펨토초 단위 규모의 화학 반응과정을 보는 것이었다. 이를 위해 펨토초 수준의 짧은 시간 동안만 나오는 X선으로 만들어지는 'X선 펄스'가 필요해 포항 4세대 방사광가속기의 X선 자유전자레이저의 펄스를 이용했다.

펨토초 엑스선 산란법 실험 모식도(기초과학연구원 제공) 2020.06.25 / 뉴스1

연구진은 이러한 X선 펄스를 이용한 '펨토초 X선 산란법'을 사용했다. 연구진은 금 삼합체(gold trimer) 분자의 형성과정을 관찰했다. 금 삽합체는 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물로 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 화학결합을 시작하는 특징이 있다.

연구진은 반응을 촉발하기 위한 레이저를 금 삼합체 수용액에 가해주고 이어 X선 펄스를 이용해 회절 신호를 측정·분석했다. 그 결과 세 개의 금 원자를 이어주는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라, 35펨토초만에 결합 하나가 먼저 만들어지고, 360펨토초 뒤 나머지 결합이 순차적으로 형성된다는 것을 관측했다.

또한 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 금 원자들이 스프링 진동하듯 분자 내 원자간 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.

금 삼합체 분자 형성 과정 포착 설명 자료 (일본 고에너지연구소(KEK) 제작, 기초과학연구원 제공) 2020.06.25 / 뉴스1

관측·분석할 수 있는 시간 간격의 최소단위를 시간 분해능이라고 한다. 연구진은 "2015년 연구에서는 시간 분해능이 500펨토초로 제한됐지만, 이번 연구에서는 150펨토초까지 가능했다"며 "타임 슬라이싱 기법을 이용해 촘촘하게 측정해 (시간 분해능보다) 더 작은 시간의 상황까지 추출할 수 있었다"고 밝혔다.  

연구진은 앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응·촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 규명할 수 있는 방법을 연구해 나갈 계획이다.

제1저자인 김종구 선임연구원은 "장기적 관점에서 꾸준히 연구한 결과 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 '펨토초 엑스선 회절법'을 완성할 수 있었다"며 "앞으로 다양한 유기‧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 포부를 밝혔다.


seungjun241@news1.kr