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이효철 교수 연구팀, 분자가 탄생하는 모든 순간(35펨토 초) 포착
우리 대학 화학과 이효철 교수(기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장) 연구팀은 원자가 결합하여 분자가 탄생하는 모든 과정을 실시간으로 관찰하는데 성공했고 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070)誌 온라인 판에 6월 25일 0시(한국시간) 게재됐다고 밝혔다.
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.
* 펄스는 짧은 시간동안 만 빛이 방출되는 형태로, 펨토 초 엑스선 펄스는 X선이 펄스의 형태로 생성되고 그 시간 길이가 펨토 초 정도일 때를 말함
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.
* 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물(화학식 : [Au(CN)2-]3)로, 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 반응하여 화학결합을 시작하는 특징이 있다.
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.
제1 저자인 김종구 IBS 선임연구원(우리 대학 화학과 박사과정 졸업생)은 “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.
2020.06.26 조회수 20998 -
최원호 교수, 박상후 연구교수, 어드밴시스 인 피직스 엑스 초청 리뷰논문 게재
〈 최원호 교수, 박상후 연구교수 〉
우리 대학 원자력및양자공학과 최원호 교수와 박상후 연구교수가 국제 학술지 ‘어드밴시스 인 피직스 엑스(Advances in Physics: X)’ 10월 23일자에 초청 리뷰논문을 게재했다. 모(母) 학술지인 ‘어드밴시스 인 피직스(Advances in Physics)’의 피인용 지수는 2017년 기준 30.917로 물리학 분야에서 최고의 리뷰 학술지로 인정받고 있다.
초청 리뷰논문은 학술지 편집장으로부터 초청받은 세계적 석학들이 해당 분야의 전반적인 연구 내용을 총 정리하는 논문이다. 어드밴시스 인 피직스 엑스는 2016년에 첫 출판된 학술지로 학문의 경계를 뛰어넘어 물리학 외 다른 학문 분야까지 영향력이 있는 연구에 대한 내용을 출판하고 있다. 현재까지 모(母) 학술지를 포함해 우리나라 물리학자의 제1저자 및 교신저자로서 초청 리뷰논문 게재는 이번이 처음이다.
최원호 교수는 지난30년 이상 저온 대기압 플라즈마부터 고온 핵융합 플라즈마까지 플라즈마 물리의 여러 난제 해결 연구에 매진해 왔으며, 이와 더불어 최첨단 플라즈마 진단계 및 플라즈마 응용 기술을 개발해 왔다.
최근에는 3년 전 창업한 교내 창업 기업인 플라즈맵(Plasmapp, 대표 임유봉 박사과정)을 통해 의료용 플라즈마 멸균 기술 등 다양한 플라즈마 기술의 실용화에 힘쓰고 있다. 기초연구부터 실용화 연구에까지 이와 같은 플라즈마 기술 발전의 공로를 국제적으로 인정받아, 대기압 플라즈마 전자의 진단과 특성조사에 관한 리뷰논문을 게재했다.
대기압에서 플라즈마를 발생시키면 자유전자와 중성기체 입자 사이의 충돌이 매우 빈번하게 일어나는 약하게 이온화된 플라즈마가 된다. 이러한 플라즈마 내에 존재하는 전자는 플라즈마 내에서 여러 물리적 및 화학적 반응을 지배하는 중요한 역할을 한다. 전자의 밀도 및 온도를 시공간적으로 정확하게 진단하는 것은 난이도가 높아 지금까지 큰 어려움이 있었고, 이러한 진단의 어려움 때문에 전자의 가열 구조 및 원리를 실험적으로 규명하는데 한계가 있었다.
최원호 교수 연구팀은 전자에 의한 중성입자 제동복사(electron-neutral bremsstrahlung) 원리를 이용해 플라즈마 내 자유전자의 밀도와 온도를 정확히 진단하고, 이를 2차원으로 영상화 하는 기술을 개발했으며 이 기술은 최근 학계의 주목을 받고 있다.
연구팀은 개발된 진단기술을 이용해 대기압 플라즈마에서 자유전자의 가열 구조 및 근본 원리를 밝히고, 특정 플라즈마에서 전자가열 구조의 시공간적 대칭성 소멸을 최초로 확인하는 등 현재까지 실험적으로 확인할 수 없었던 여러 전자 가열 원리를 규명했다.
최 교수는 “소재와 환경분야 뿐만 아니라 최근의 의학, 바이오, 농식품 분야를 위한 활용 가능성 때문에 대기압 플라즈마 연구는 세계적으로 각광을 받고 있으며, 대기압 플라즈마 내에서 일어나는 여러 물리적 및 화학적 현상을 좌지우지하는 전자의 특성을 정확하게 진단하고 이해하는 일은 과학적 측면에서도 중요성이 크다”며 “대기압 플라즈마 전자의 진단과 특성연구에 관한 논문을 세계 저명 저널에 리뷰논문으로 초청받은 것은 그간의 연구 성과에 대해 인정받은 결과라 생각하고, 본 논문은 대기압 플라즈마의 산업적 활용에도 기본이 되는 자료가 될 것이다”고 말했다.
2018.10.25 조회수 6734