펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 엑스선 회절 이미지를 얻고 분석함으로써 분자의 삼차원 구조를 알아낸다/사진=IBS기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수)과 김종구 선임연구원 연구팀은 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저를 이용해 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는 데 성공했다고 25일 밝혔다. 지금까지 원자들이 언제, 어떻게 움직이며 분자를 구성하는지 관찰한 연구는 없었다.
펨토초 엑스선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘펨토초 엑스선 회절법 실험을 적용하여 금 삼합체의 들뜬 상태에서의 파동 다발의 시간에 따른 위치를 다차원 핵좌표계 상에서 얻어내었다. 이를 통해 금 삼합체 내의 화학결합 생성 반응이 ‘비동기화된 화학결합 생성 메커니즘(asynchronous bond formation mechanism)'을 통해 일어나는 것을 밝혀냈다/사진=IBS연구팀은 ‘펨토 초 시간분해 엑스설 회절법’을 이용해 금 삼합체 내의 화학결합이 생성되기 이전부터 종료되기까지 분자 내 모든 원자의 움직임을 실시간으로 관측했다. 이 기법은 엑스선 자유전자레이저(XFEL)에서 생성되는 '펨토초 엑스선 펄스'를 반응 중인 분자에 쏴 얻어지는 엑스선 회절신호를 분석해 특정 순간 분자의 구조를 알아내는 방식이다.
연구팀에 따르면 실험 결과 두 화학결합이 동시에 형성된다고 추정하던 기존 정설과 달리, 하나의 화학결합이 35팸토 초 만에 먼저 빠르게 형성되고 360펨토 초 뒤에 나머지 결합이 순차적으로 이뤄졌다. 또 화학결합이 형성된 후 금 원자들은 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어나고 줄어드는 형태의 ‘대칭 진동 운동’을 했다.
연구진은 앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.
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김 선임연구원은 “팸토초 시간분해 엑스설 회절법을 통해 원자의 시간 및 공간상의 정보를 모두 관측할 수 있었다”며 “이를 통해 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 연구성과는 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다.
