IBS, 분자 탄생하는 ‘1000조분의 35초’ 순간 세계 첫 포착

조선비즈
  • 김윤수 기자
    입력 2020.06.25 00:00

    이효철 IBS 부연구단장팀, 포항 방사광가속기 활용 분자 탄생 모든 과정 관찰
    세계 최초 성공, 25일 네이처 게재… "신약 합성 등 화학반응 연구에 응용 기대"

    총 360펨토초(fs·1000조분의 1초) 동안 금 원자 3개가 결합해 ‘금 삼합체’ 분자가 되는 과정(왼쪽)과 이 관찰을 위해 연구팀이 수행한 ‘펨토초 엑스선 회절법’ 실험 모식도./IBS 제공
    국내 연구진이 원자들이 결합해 분자가 만들어지는 모든 과정을 수십 펨토초(1000조분의 1초) 간격으로 관찰하는 데 성공했다.

    이효철 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장 연구팀은 포항 4세대 방사광가속기의 ‘펨토초 엑스선(X선) 펄스’ 장치를 이용해 결합하는 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측한 결과를 25일 국제 학술지 네이처(Nature)에 발표했다고 밝혔다.

    원자가 결합해 분자가 되는 과정은 1나노(nm·10억분의 1미터) 미만의 공간에서 수백 펨토초(1000조분의 1초)도 안 되는 시간 동안 이뤄지기 때문에 실시간으로 관찰하는 건 어렵다. 이제껏 전세계에서 이를 제대로 관찰한 사례는 한 건도 없다는 게 연구팀의 설명이다.

    연구팀은 방사광가속기로 만든 특수한 빛을 쬐어 금(金) 원자 3개가 결합해 ‘금 삼합체’라는 분자가 만들어지는 전과정을 펨토초 시간 간격으로 포착하는 데 성공했다. 관찰 결과 먼저 두 원자의 결합이 35펨토초 만에 이뤄지고 이어 360펨토초 동안 나머지 원자 1개가 마저 결합했다.

    연구팀은 원자들이 결합한 후에도 가만히 있지 않고 서로간의 거리를 고무줄처럼 늘렸다 줄였다 하며 진동하는 모습까지 발견했다.

    이번 실험은 세계 최초로 화학 반응이 일어날 동안 원자가 움직이는 모습을 처음부터 끝까지 관찰했다는 평가를 받는다.

    연구팀은 "단백질 같은 거대 분자에서 일어나는 반응과 수많은 원자들이 결합하는 다양한 생화학 반응의 메커니즘을 원자 수준에서 규명해나갈 계획"이라며 "신약 개발 등을 위한 여러 연구에 기여할 수 있을 것"이라고 설명했다.

    연구팀은 지난 2005년과 2015년에도 비슷한 실험으로 화학반응의 순간들을 포착해 네이처와 사이언스에 발표한 바 있다.

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