IBS, 단결정 내 역동적인 분자구조 변화 포착

첨단반응동역학연구단, 화학적 단결정 분자 반응 경로 첫 규명

시간분해 연속 펨토초 결정학 기법 활용…국제학술지 게재

[대전=뉴시스] 금속–유기 골격체에 대한 시간분해 연속 펨토초 결정학 실험 구성도.(사진=IBS 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 첨단반응동역학연구단 이효철 단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 화학적 단결정 분자 내 구조변화와 원자의 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

물질을 이루는 기본 단위인 원자들은 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 하지만 수 펨토초(1/1000조 초)에 옹스트롬(1/1억㎝) 수준으로 미세하게 움직여 시간과 공간에 따른 원자의 변화를 관측키 어렵다.

분자에 엑스선을 쏴 회절신호를 분석하는 엑스선 결정학(X-ray Crystallography)으로 원자배열과 움직임을 관찰하는 도구가 상당한 발전을 이뤘지만 주로 단백질과 같은 고분자 물질에 대한 연구에 집중됐고 비(非)단백질의 작은 분자결정은 엑스선을 흡수하는 단면적이 넓고 생성되는 신호가 약해 분석이 어렵다.
 
연구진은 선행연구에서 단백질 내 화학반응의 전이상태와 반응경로를 3차원 구조로 실시간 규명한데 이어 이번 연구에서는 최초로 분자단위 시스템에서 비단백질 분자의 구조변화를 밝히는 데 성공했다.

이번 연구 결과는 25일 국제학술지 '네이처 케미스트리(Nature Chemistry)' 온라인 판에 게재됐다.(논문명:Dynamic 3D structures of a metal–organic framework captured with femtosecond serial crystallography)

연구진은 수 펨토초의 순간에 변화하는 분자 움직임을 포착하기 위해 포항가속기연구소의 엑스선 자유전자 레이저를 이용한 '시간분해 연속 펨토초 결정학(TR-SFX)' 기법을 사용했다.

이 기법은 엑스선 자유전자 레이저에서 생성되는 펨토초 엑스선 펄스를 반응 중인 분자에 쏴 얻은 엑스선 회절신호를 분석해 특정 순간의 분자구조를 알아내는 방식이다.
 
공동 제1저자인 이윤범 선임연구원은 "방대한 양의 엑스선 회절신호를 시간 순서대로 나열하면 원자의 움직임을 실시간으로 시각화할 수 있다"며 "마치 분자의 초고속 변화를 영상으로 촬영하는 것과 같다"고 설명했다.

실험을 위한 시료는 철 포르피린(Fe-porphyrin) 유도체와 지르코늄(Zr) 클러스터가 반복적으로 연결된 금속–유기 골격체에 일산화탄소(CO)가 흡착된 형태의 결정이 활용됐다.

연구진은 이 시료에 강력한 자외선 레이저를 쏴 광해리 반응을 유도한 뒤 펨토초 엑스선 펄스의 회절신호를 분석했다. 그 결과 광해리 반응으로 인해 철 포르피린에 흡착된 일산화탄소가 떨어져 나오며 3가지의 주요한 구조로 변화되는 것이 확인됐다.

주요 변화 중 첫째는 5.55 피코초(1/1조 초) 주기로 진동하며 2.68 피코초로 제동하는 철과 지르코늄 원자들의 집단 결맞음 진동구조로의 변화고 둘째는 철 포르피린의 철 이온이 포르피린 평면에서 벗어나며 지르코늄 원자가 진동하는 구조다. 두 변화는 모두 200 펨토초 이내에 이뤄졌다.

세번째는 온도 증가에 따라 철과 지르코늄 원자들의 무작위 진동구조로 연구진은 찰나의 순간에 분자의 역동적 구조변화를 포착하는데 성공했다.

공동 제1저자인 강재동 학생연구원은 “촉매, 에너지 저장 및 이산화탄소 포집, 약물 전달 등 다양한 연구 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다"고 말했고 연구를 이끈 이효철 단장은 "분자단위 화학시스템 연구를 위한 강력한 도구로, 시간분해 연속 펨토초 결정학의 잠재력을 확인했다"고 의미를 부여했다.


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