'1조분의 1초' 과학의 역사를 보다…세계최초 실시간 관측

IBS 이효철 연구팀, 원자 만나 분자 이루는 '찰나' 관측 성공

1조분의 1초에 불과한 분자 탄생 순간이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 관측됐다.

기초과학연구원(IBS)은 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철(KAIST 화학과 교수·사진) 그룹리더 연구팀이 세계 최초로 원자끼리 만나 분자를 이루는 화학결합의 순간을 실시간 관측하는데 성공했다고 22일 밝혔다.

이 교수 연구팀은 2005년 분자결합이 끊어지는 과정을 밝힌 이후 10년 만에 분자의 결합과정까지 관측, 화학반응의 시작과 끝을 밝혀내는 쾌거를 달성했다.

연구진은 화학결합의 순간포착을 위해 평소 가까운 곳에 흩어져 있다가 레이저(빛)를 쏘아주면 반응, 화학적으로 결합하는 성질이 있는 금 삼합체(gold trimer)를 실험모델로 삼았다.

화학결합이 이뤄지는 1조분의 1초를 관측하기 위해 펨토초(1000조분의 1초) 엑스선 펄스라는 특수광원을 이용, 광반응에 따른 금 삼합체 원자의 구조 변화를 엑스선 회절 이미지로 구현해 냈다.

원자의 지름은 1옹스트롬(1억분의 1㎝)이고, 화학결합 순간은 1조분의 1초여서 원자를 감지하려면 빛의 파장이 원자 수준으로 짧아야 한다.

빛의 시간 길이는 원자간 결합의 순간보다 짧아야 하는데 이를 만족하는 광원이 엑스선 자유전자 레이저에서 얻어지는 펨토초 엑스선 펄스이다.

레이저 기술과 엑스선 회절법 기술을 결합한 펨토초 엑스선 회절법을 이용하면 빠른 분자의 움직임을 정확한 위치 정보와 함께 측정할 수 있다.

연구진은 이를 이용해 금 삼합체 내부의 원자들 사이에서 화학결합이 형성되는 순간을 실시간으로 관측에 성공한 것이다.

연구진은 펨토초 엑스선 회절법을 단백질의 탄생 순간과 단계별 구조 변화를 밝히는데 적용할 계획이며 이를 통해 단백질 반응의 제어, 질병치료, 신약 개발 등에 필요한 기초정보 제공이 가능할 것으로 전망하고 있다.

이효철 그룹리더는 “펨토초 회절법을 통해 화학결합 관측 외에 펨토초 시간대의 분자의 진동, 회전 등을 관측할 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구결과는 세계 최고 권위 과학저널인 네이처 2월 18일자에 게재됐다.

이영록 기자 idolnamba2002@