기초과학연, 분자 탄생 순간 포착
기초과학연, 분자 탄생 순간 포착
  • 이성현 기자
  • 승인 2020.06.25 00:00
  • 댓글 0
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1/1000조 초 단위 관측 특수 광원 통해 화학결합 전 과정 관찰 성공

기초과학연구원(IBS)이 분자가 탄생하는 모든 순간을 포착했다고 25일 밝혔다.

펨토초 엑스선 회절법 실험 과정 모식도
펨토초 엑스선 회절법 실험 과정 모식도

IBS에 따르면 나노물질 및 화학반응연구단 이효철 부연구단장 연구팀은 펨토 초(1/1000조 초) 단위 관측이 가능한 특수광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저를 이용, 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시한 위치와 운동을 관측하는 데 성공했다.

그동안 화학반응의 시작인 반응물과 끝인 생성물은 상대적으로 오랫동안 구조를 유지하지만, 반응과정의 전이상태(transition state)의 경우 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 관찰이 더 까다로웠다.

이에 연구진은 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.

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

펨토초 엑스선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘
펨토초 엑스선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘

연구진은 앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 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 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 밝혔다.

한편 이번 성과는 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070)지 온라인 판에 이날 게재됐다.

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