기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀은 원자가 결합하여 분자가 탄생하는 모든 과정을 실시간으로 관찰하는데 성공했다. 

연구진은 펨토 초(1/1,000조 초)의 순간을 관측하기 위해 특수 광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토 초 엑스선 펄스*)를 이용하여 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는데 성공했다. 

과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070)誌 온라인 판에 6월 25일 0시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

물질을 이루는 기본 단위인 원자들이 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 하지만 원자는 수 펨토 초에 옹스트롬(1/1억 cm) 수준만 움직이기 때문에 그 움직임을 실시간으로 포착하기는 어려웠다.

연구진은 이전에 분자결합이 끊어지는 순간(Science, 2005)과 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간(Nature, 2015) 분자의 구조를 원자 수준에서 관측한 바 있으며, 이번에 세계 최초로 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정의 원자의 움직임을 관찰하는데 성공했다.

화학반응의 시작인 반응물과 끝인 생성물은 상대적으로 오랫동안 구조를 유지하지만, 반응과정의 전이상태(transition state)의 경우 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 관찰이 더 까다로웠다.

연구진은 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법과 구조 변화 모델링 분석기법으로 금 삼합체(gold trimer)* 분자의 형성과정을 관찰했다. 그 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 형성됨을 규명했다. 

또한, 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.

연구진은 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 엑스선 회절법’을 완성할 수 있었다”며 “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 포부를 밝혔다.

◦ Jong Goo Kim(제1저자, IBS/KAIST), Shunsuke Nozawa(KEK), Hanui Kim(IBS/KAIST), Eun Hyuk Choi(IBS, KAIST), Tokushi Sato(CFEL, European XFEL GmbH), Tae Wu Kim(IBS/KAIST), Kyung Hwan Kim(POSTECH), Hosung Ki(IBS/KAIST), Jungmin Kim(IBS/KAIST), Minseo Choi(IBS/KAIST), Yunbeom Lee(IBS/KAIST), Jun Heo(IBS/KAIST), Key Young Oang(한국원자력연구원), Kouhei Ichiyanagi(KEK),  Ryo Fukaya(KEK), Jae Hyuk Lee(포항가속기연구소) Jaeku Park(포항가속기연구소), Intae Eom(포항가속기연구소), Sae Hwan Chun(포항가속기연구소), Sunam Kim(포항가속기연구소), Minseok Kim(포항가속기연구소), Tetsuo Katayama(JASRI/RIKEN), Tadashi Togashi(JASRI/RIKEN), Sigeki Owada(JASRI/RIKEN), Makina Yabashi(JASRI/RIKEN), Sang Jin Lee(IBS/KAIST), Seonggon Lee(IBS/KAIST), Chi Woo Ahn(IBS/KAIST), Doo-Sik Ahn(IBS/KAIST), Jiwon Moon(가톨릭대), Seungjoo Choi(인하대), Joonghan Kim(가톨릭대), Taiha Joo(POSTECH), Jeongho Kim(인하대), Shin-ichi Adachi(KEK), and Hyotcherl Ihee(교신저자, IBS/KAIST)*

물질을 이루는 기본 단위인 원자는 화학결합을 통해 분자를 만든다. 하지만 원자들이 언제, 어떻게 움직이며 분자를 구성하는지 관찰한 연구는 지금껏 없었다. 단백질과 같은 수천 개의 원자로 이뤄진 분자는 물론, 고작 3개의 원자로 이뤄진 분자에 대해서는 화학결합을 형성하는 원자들의 실제 움직임을 직접적으로 관찰한 경우는 없었다. 수 펨토 초(1000조 분의 1초)라는 찰나의 순간에 수 옹스트롬(1억 분의 1cm) 수준으로 미세하게 움직이는 원자의 시간과 공간에 따른 변화를 관측하기 어렵기 때문이다.

우리 연구진은 이러한 기초적인 질문에 대한 답을 찾기 위해 연구를 시작했다. 원자의 움직임을 추적 관찰하는 것은 화학반응의 상세한 메커니즘을 이해하는 데도 도움이 된다. 각 원자들이 어떻게 진동하며 움직이는지가 화학반응의 메커니즘을 결정하기 때문이다. 

화학반응 진행 과정을 실시간 시각화하기 위해 금 삼합체(gold trimer)를 실험모델로 사용했다. 금 삼합체는 금 원자 세 개로 이뤄진 화합물([Au(CN)2-]3)로 두 개의 화학결합으로 구성된다. 평소에는 가까운 곳에 흩어져 있던 세 원자에 빛(레이저)을 쏘아주면 반응하여 화학적으로 결합하는 특징이 있다.

 

연구진은 펨토 초 시간분해 엑스설 회절법을 이용해 금 삼합체 내의 화학결합이 생성되기 이전부터 종료되기까지 분자 내 모든 원자의 움직임을 실시간으로 관측했다. 이 기법은  엑스선 자유전자 레이저(XFEL)에서 생성되는 펨토 초 엑스선 펄스를 반응 중인 분자에 조사하여 얻어지는 엑스선 회절신호를 분석해 특정 순간 분자의 구조를 알아내는 방식이다. 이렇게 얻어진 분자의 구조를 시간 순서로 나열하게 되면 원자의 움직임을 실시간으로 추적할 수 있다. 실험은 자유전자 레이저를 제공하는 선형4세대 방사광가속기(PAL-XFEL)에서 진행됐다.

 

분석 결과, 두 화학결합이 동시에 형성된다고 추정하던 기존의 정설과 달리, 하나의 화학결합이 35펨토 초 만에 아주 빠르게 먼저 형성된 후에 360펨토 초 뒤 나머지 화학결합이 생성되는 것을 관측했다. 이어 화학결합이 끝난 이후 원자의 움직임도 관측했다. 그 결과 화학결합과 함께 시작한 원자의 진동운동이 결합이 종료된 후에도 어떤 형태로 지속되는지를 규명했다. 금 원자들은 같은 자리에 머물지 않고, 원자 간의 거리가 늘어나고 줄어드는 형태의 ‘대칭 진동 운동’을 진행했다. 펨토 초 시간분해 엑스설 회절법을 통해 원자의 시간, 공간상 정보를 모두 관측할 수 있었고, 이 덕분에 진동 운동의 형태의 정확히 규명할 수 있었다.

이효철 부연구단장 연구팀은 2005년 사이언스(Science)에 분자결합이 끊어지는 과정을 밝히고, 이후 10년만인 2015년 원자 끼리 만나 분자를 이루는 화학결합의 순간 즉, 분자가 탄생하는 순간을 실시간으로 관측해 그 연구결과를 네이처(Nature)에 게재했다. 그간의 연구로 화학반응의 시작인 반응물, 끝인 생성물의 구조를 관측했지만 그 과정 전부를 시각화한 건 이번이 처음이다.

 

반응물이나 생성물은 그 구조를 유지하며 머무르는 시간이 상대적으로 길기 때문에 구조를 포착하는 것 역시 상대적으로 쉽다. 하지만 전이 상태(transition state)의 경우 반응 중간체들 사이의 전이가 일어나면서 순간적으로 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 실험적으로 관측이 어려웠다. 이번 연구는 반응물, 생성물만 관측한 것이 아니라 변화하는 과정을 실시간으로 시각화했다는 의미가 있다.

* Science 게재 논문 : Ultrafast X-ray diffraction of transient molecular structures in solution, Science, 309, 1223-1227(2005)

* Nature 게재 논문 : Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering, Nature, 518, 385-389(2015)

이번 연구로 실현된 ‘펨토 초 엑스선 회절법을 이용한 반응 경로의 실시간 추적’ 방법은 여러 화학반응의 메커니즘을 명확히 규명하고, 반응 효율을 극대화시키기 위한 핵심 정보를 제공할 수 있다. 이를 통해 다양한 유‧무기 촉매 반응 효율화 등 산업 및 공업 분야에 사용되는 여러 화학반응의 효율을 극대화시킬 수 있을 것으로 기대된다.

향후 금 삼합체처럼 비교적 단순한 분자뿐만 아니라 더 복잡한 유기, 무기 화합물과 거대 분자의 반응 과정을 원자 수준으로 볼 수 있는 단계까지 발전시켜 나갈 계획이다. 이를 통해 단백질과 같은 수천 개의 원자로 이뤄진 복잡한 분자의 반응 메커니즘까지도 상세히 규명할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

· 자연과학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 43.070) 

·  금 원자단 세 개로 이루어진 화합물로 화학식은 [Au(CN)2-]3이다. 수용액 상에서 각 금 원자단 사이의 상대적 효과에 의해 인접한 곳에 모여있다가 레이저에 의해 들뜬 상태가 되면 인접한 두 금 원자 사이에 화학결합이 형성된다. 

·  짧은 시간동안만 빛이 방출되는 형태를 펄스라고 하는데, 엑스선이 펄스의 형태로 생성되고 그 시간 길이가 펨토초(100조 분의 1초) 정도일 때, 펨토초 엑스선 펄스라고 한다. 보통 엑스선 자유전자 레이저를 이용한 실험에서 얻을 수 있다.

·  4세대 엑스선 광원으로 강력한 세기를 갖는 펨토초 엑스선 펄스를 제공할 수 있다. 한국의 포항 선형가속기연구소(PAL-XFEL), 미국의 LCLS연구소, 일본의 SACLA연구소, 독일의 European XFEL연구소가 가동 중이다.

·  물질에 엑스선을 입사시키면 각각의 원자로부터의 산란파가 서로 간섭 현상을 일으켜 특정한 방향으로만 엑스선이 진행하게 된다. 이것이 엑스선 회절 현상인데, 회절파의 강도와 진행 방향이 원자의 종류와 배열 상태에 따라 달라지기 때문에 회절된 빛을 조사하여 분자의 삼차원 구조를 알아낼 수 있다.

·  펨토초 엑스선 펄스의 회절 현상을 이용하여 분자의 삼차원 구조를 분석하는 실험적 방법이다. 분자에 조사된 펨토초 엑스선 펄스의 회절 현상을 통해 분자의 삼차원 구조에 따라 결정되는 특징적인 회절 이미지가 얻어진다. 레이저 펄스에 의해 반응이 시작된 이후, 시간에 따라 회절 이미지를 얻어 역으로 분자의 시간에 따른 삼차원 구조를 계산해 낼 수 있다.

·  엑스선 산란을 이용하면 결정학, 즉 크리스탈로그래피(crystallography)가 단결정 상태의 시료에서 구조적인 정보를 얻어내는 것과 마찬가지로 결정이 아닌 용액 상태의 시료에서 분자의 구조적인 정보를 뽑아낼 수 있음을 강조하기 위해 엑스선 용액 산란을 엑스선 액체구조학이라 부른다. 레이저 펄스를 이용하여 화학 반응을 개시시킨 이후, 엑스선 펄스의 회절 현상을 이용하여 용액상에 존재하는 다양한 분자의 구조동역학 연구를 수행하는 실험 분야로, 작은 분자에서 단백질과 같은 거대 분자에 이르기까지 그 적용 범위가 다양하다. 높은 시간, 공간분해능을 바탕으로 분자의 용액상 구조동역학 연구를 수행하는데 적합하다.

·  레이저에 의해 분자가 들뜬 상태가 되면, 다양한 진동 양자 상태(vibrational quantum state)가 동시에 들뜨게 되는데, 이렇게 여러 들뜬 진동 양자 상태의 중첩을 파동 다발이라고 한다. 파동 다발의 위치에너지공간(potential energy surface)상에서의 움직임이 화학 반응의 경로를 결정하는 데 결정적인 역할을 하고, 분자의 진동 운동 형태를 결정하게 된다.

레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 엑스선 회절 이미지를 얻고 분석함으로써 분자의 삼차원 구조를 알아낸다.

펨토초 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.

공동연구진은 2015년 연구에서(위) 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간 분자의 구조를 세계 최초로 관측한 데 이어 이번 연구(아래)에서는 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정에서 원자의 움직임을 실시간 관찰했다. 사진 속 노란색은 금, 회색은 탄소, 파란색은 질소 원자를 나타낸다. (자료제공: 일본 고에너지가속기연구소(KEK))

1. 인적사항

·  소속 : 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단

           한국과학기술원(KAIST) 화학과

·   전화 : 042-350-8267

·   E-mail : ihee57@ibs.re.kr

2. 학력 및 경력사항

·   1994  KAIST 화학과 학사과정 졸업

·   2001  캘리포니아공과대학교(Caltech) 박사과정 졸업

·   2001  시카고대학 박사후 연구원(Post Doc.)

·   2003.8.1-2007.2.28 KAIST 화학과 조교수

·   2007.3.1-2009.2.28 KAIST 화학과 부교수

·   2009.3.1.-현재 KAIST 화학과 교수

·   2012.11.12.-2015 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더

·   2015-현재 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장

3. 주요 수상 경력

·   2016-현재 Accounts of Chemical Research 편집위원

·   2018-현재 International Journal of Molecular Sciences 편집위원

·   2020-현재 Structural Dynamics 편집위원

·   2011-2014 ChemPhysChem 편집위원

·   2016 경암학술상(경암교육문화재단)

·   2016 올해의 카이스트인상(한국과학기술원)

·   2015 김명수학술상(대한화학회)

·   2013 10년 뒤 한국을 빛낼 100인 명예의 전당 선정(동아일보)

·   2011 Morino Lectureship Award(일본 모리노 재단)

·   2009 Lectureship Award(일본 화학회)

·   2006 젊은과학자상(과학기술부/한림원)

·   2006 과학기술우수논문상(과학기술총연합회)

·   2006 KAIST 학술상

·   2001-2003 미국 대먼 러년 암재단(Damon Runyon Cancer Research Foundation) 펠로우십