원자가 결합하는 '1000조 분의 1'초를 잡았다

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 원자가 결합해 분자가 되는 모든 과정을 실시간으로 관측하는데 성공했다. 이 기술을 발전시켜 다양한 촉매나 단백질의 반응 과정을 원자 수준으로 관찰할 수 있게 되면 효율성 높은 촉매를 개발하거나 신약을 개발하는데 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 이효철 기초과학연구원 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장의 연구팀은 이같은 내용의 연구 결과가 국제 학술지인 네이처에 25일(현지시간) 실렸다고 밝혔다.

원자에서 분자로 결합하는 찰나를 잡아내다

연구팀은 수 펨토 초(1000조 분의 1초)라는 찰나의 순간에 수 옹스트롬(1억 분의 1cm) 수준으로 미세하게 움직이는 원자의 시간과 공간에 따른 변화를 실시간 관측하는데 세계 최초로 성공했다.

연구팀은 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법과 구조 변화 모델링 분석기법으로 금 삼합체 분자의 형성과정을 관찰했다. 이를 위해 펨토 초의 순간을 관측하기 위해 특수 광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토 초 엑스선 펄스)를 이용했다.

이 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 형성된다는 것도 규명했다.

금 삼합체는 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물이다. 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 반응해 화학결합을 시작하는 특징이 있다.

연구팀은 이 실험을 통해 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있다는 것도 관측했다.

효율성 높은 촉매나 신약 개발에 활용 가능

연구팀은 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 엑스설 회절법'을 완성할 수 있었다"며 "앞으로 다양한 유기 촉매나 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.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr