분자가 탄생하는 ‘35펨토초’ 찰나의 순간 포착

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=IBS

물질을 이루는 기본 단위인 원자가 화학결합을 통해 분자로 만들어지는 과정은 수 펨토초(1초를 1000조분의 1로 나눈 시간)라는 찰나의 순간에 수 옹스트롬(1억 분의 1cm) 수준으로 미세하게 움직이며 이뤄진다. 이 과정을 국내 연구진이 실시간으로 관측하는 데 성공했다.


기초과학연구원(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.

연구팀은 앞서 2005년 분자결합이 끊어지는 과정을 밝히고, 2015년엔 원자 끼리 만나 분자를 이루는 화학결합의 순간 즉, 분자가 탄생하는 순간을 실시간으로 관측한 바 있다. 이 부연구단장은 “앞서 실험은 화학반응의 시작인 ‘반응물’과 끝인 ‘생성물’이 그 구조를 유지하며 머무르는 시간이 상대적으로 길기 때문에 구조를 포착하는 것이 수월했다면, 이번의 화학결합 반응 전 과정은 매우 짧은 시간 동안에 이뤄지므로 관찰이 더 까다롭다”고 말했다. 그러면서 “이번 연구는 반응물, 생성물만 관측하는 것이 아니라 변화하는 과정을 실시간으로 시각화했다는 데 의미가 있다”고 덧붙였다.

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=IBS

연구팀은 화학반응 진행과정을 실시간으로 보기 위해 '금 삼합체'를 실험모델로 사용했다. 금 삼합체는 금 원자 세 개로 이뤄진 화합물로 두 개의 화학결합으로 구성된다. 평소엔 가까운 곳에 흩어져 있던 세 원자에 빛(레이저)를 쏘면 즉각 반응해 화학적으로 결합하는 특징이 있다

연구팀은 ‘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.

이렇게 얻어진 분자의 구조를 시간 순서로 나열하면 원자의 움직임을 실시간으로 추적할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다. 이 실험은 자유전자레이저를 제공할 수 있는 포항 선형4세대 방사광가속기에서 진행됐다.


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.

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.