금속-유기 골격체에 대한 시간분해 연속 펨토초 결정학 실험 구성도. IBS 제공기초과학연구원(IBS)은 첨단 반응동역학 연구단 이효철 단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 화학적 단결정 분자 내 구조 변화와 원자 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다고 26일 밝혔다. 눈에 보이지 않는 작은 분자 세계의 비밀에 좀더 접근했다는 평가다.
물질을 이루는 기본 단위인 원자들은 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 하지만 원자는 수 펨토초(1천조 초분의 1)에 옹스트롬(1억cm분의 1) 수준으로 미세하게 움직여 시간과 공간에 따른 변화를 관측하기 어려웠다.
연구진은 최초로 분자 단위 시스템에서 비단백질 분자의 구조 변화를 밝히는 데 성공했다.
연구진은 수 펨토초의 순간에 변화하는 분자의 움직임을 포착하기 위해 포항가속기연구소의 엑스선 자유전자 레이저를 이용한 시간 분해 연속 펨토초 결정학(TR-SFX) 기법을 사용했는데, 이 기법은 엑스선 자유전자 레이저에서 생성되는 펨토초 엑스선 펄스를 반응 중인 분자에 쏴 얻은 엑스선 회절 신호를 분석해 특정 순간 분자의 구조를 알아내는 방식이다.
이윤범 선임연구원은 "방대한 양의 엑스선 회절 신호를 시간 순서대로 나열하면 원자의 움직임을 실시간으로 시각화할 수 있다"며 "마치 분자의 초고속 변화를 영상으로 촬영하는 것과 같다"고 설명했다.
연구진은 실험 시료로 철 포르피린(Fe-porphyrin) 유도체와 지르코늄(Zr) 클러스터가 반복적으로 연결된 금속-유기 골격체에 일산화탄소(CO)가 흡착된 형태의 결정을 사용했다.
이 시료에 강력한 자외선 레이저를 쏴 광해리 반응을 유도하고, 이후 펨토초 엑스선 펄스의 회절 신호를 분석했다.
이 결과 광해리 반응으로 철 포르피린에 흡착된 일산화탄소가 떨어져 나오며 세 가지 주요한 구조로 변화하는 것을 밝혔다.
첫 번째로는 5.55 피코초(1조 초분의 1) 주기로 진동하며, 2.68 피코초로 제동하는 철과 지르코늄 원자들의 집단 결맞음 진동 구조로의 변화다.
둘째는 철 포르피린의 철 이온이 포르피린 평면상에서 벗어나며 지르코늄 원자가 진동하는 구조다. 두 변화는 모두 200펨토초 이내에 이뤄졌다.
마지막으로 온도 증가에 따라 철과 지르코늄 원자들의 무작위 진동 구조도 확인했다. 찰나의 순간, 분자의 역동적 구조 변화를 포착한 것이라고 연구진은 설명했다.
연구진은 "촉매, 에너지 저장 및 이산화탄소 포집, 약물 전달 등 다양한 연구 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 케미스트리' 온라인에 실렸다.