IBS, 분자가 탄생하는 모든 순간 포착 성공

기초과학연구원, 특수광원으로 화학결합 전 과정 관찰 성공

네이처誌 게재…촉매반응·생화학 반응 메커니즘 규명 기대

[대전=뉴시스] 지난 2015년 연구에서(위) 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간 분자의 구조를 세계 최초로 관측한 데 이어 IBS 연구진은 이번 연구(아래)에서 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정에서 원자의 움직임을 실시간 관찰했다. 사진 속 노란색은 금, 회색은 탄소, 파란색은 질소 원자를 나타낸다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 분자가 탄생하는 모든 순간이 국내 연구진에 의해 포착됐다.

기초과학연구원(IBS)은 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 원자가 결합해 분자가 탄생하는 모든 과정(35펨토 초)을 실시간으로 관찰하는데 성공했다고 25일 밝혔다.
 
연구진은 펨토 초(1000조분의 1초)의 순간을 관측키 위해 특수광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토 초 엑스선 펄스)를 이용, 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측했다.

 이번 성과는 세계 최고 권위의 국제학술지 네이처(Nature, IF 43.070) 온라인 판에 25일 0시(한국시간) 게재됐다. 논문명:Mapping the emergence of molecular vibrations mediating bond formation.

물질을 이루는 기본단위인 원자는 화학결합을 통해 분자를 만들지만 원자는 수 펨토 초에 옹스트롬(1Å: 10-10m, 10에 마이너스 10m) 수준만 움직이기 때문에 움직임을 실시간으로 포착하기는 어렵다.

이전 연구에서 IBS 연구진은 분자결합이 끊어지는 순간과 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간의 분자 구조를 원자 수준에서 관측한 데 이어 이번에 세계 처음으로 화학반응의 시작부터 끝까지 원자의 움직임을 관찰하는데 성공했다.

이를 위해 연구진은 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법과 구조변화 모델링 분석기법으로 금 삼합체(gold trimer) 분자의 형성과정을 관찰했다.
 
이번 관찰을 통해 연구진은 3개의 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 형성된다는 사실을 규명했다.
 
금 삼합체는 3개의 금 원자로 이뤄진 화합물로 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 반응해 화학결합을 시작하는 특성이 있다.

 또 화학결합이 형성된 뒤 원자들은 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있다는 사실도 확인했다.

연구진은 향후 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.

제1저자인 IBS 김종구 선임연구원은 "꾸준한 연구를 통해 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 펨토초 엑스선 회절법을 완성할 수 있었다"며 "앞으로 다양한 유·무기 촉매반응과 체내에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀내게 되면 단백질 반응과 관련된 신약개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것"이라고 말했다.


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