시간분해 연속 펨토초 결정학, 화학적 단결정 분자의 움직임 실시간 관찰 성공!

KAIST 이효철 교수 연구팀은 시간분해 연속 펨토초 결정학 기법을 사용하여 화학적 단결정 내 분자의 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 데 성공했습니다. 이 연구는 분자 동역학 분야에 새로운 이정표를 세우고, 촉매, 에너지 저장, 약물 전달 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.

 

목차

▲ 금속.유기 골격체에 대한 시간분해 연속 펨토초 결정학 실험 구성도

• 실험을 위해 금속–유기 골격체에 강렬한 펨토초 자외선 레이저 펄스를 조사해 광해리 반응을 유도했다. 엑스선 자유 전자 레이저 시설의 펨토초 엑스선 펄스로 펨토초 및 옹스트롬 시공간 분해능으로 금속–유기 골격체 내의 철 포르피린과 지르코늄 클러스터의 초고속 구조 변화를 직접 시각화할 수 있었다. 광 해리반응 후 금속–유기 골격체의 분자 구조는 시간에 따른 초고속 엑스선 펄스가 만들어내는 엑스선 회절 패턴을 측정함으로써 관찰됐다.

 

단결정 내 역동적인 분자 구조 변화 포착

 

연구 개요

눈에 보이지 않는 작은 분자 세계의 비밀을 밝히다

물질을 이루는 기본 단위인 원자들은 화학결합을 통해 분자를 구성합니다. 하지만 원자는 수 펨토초(1/1,000조 초)에 옹스트롬(1/1억 cm) 수준으로 미세하게 움직여 시간과 공간에 따른 변화를 관측하기 어려웠습니다. 이번 연구는 이러한 어려움을 극복하고 화학적 단결정 분자 내 구조 변화와 원자의 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 성공했습니다.

 

▲ 중간체의 차이 전자 밀도 지도 및 세 구조중간체의 동역학

• Iosc은 진동하는 구조에 대한 구조 중간체, Itr은 순간적으로 생성되는 구조 중간체이고 Ihot은 진동적으로 뜨거운 구조 중간체에 대한 SADED maps과 세 구조 중간체의 동역학을 의미한다. SADED maps의 맨 위 패널은 철 포르피린과 지르코늄 클러스터를 보여주며, 중간 패널은 지르코늄 클러스터의 지르코늄 원자를 확대해서 보여준다. 맨 아래 패널은 철 포르피린의 철 원자를 확대해서 보여주고 있다. 빨간색 차이 전자 밀도는 전자 밀도가 사라지는 것을 의미하며, 원자가 기존 위치에서 움직일 때 나타난다. 반대로, 파란색 차이 전자 밀도는 전자 밀도가 생성되는 것을 의미하며, 원자가 해당 위치로 움직일 때 나타난다.
• Iosc은 5.55 피코초 주기로 진동하며, 2.68 피코초로 제동되며, Itr은 200 펨토초인 IRF 내에 순간적으로 생성되고 47.1 피코초의 시간상수를 가지면서 사라진다. Ihot은 1.1 피코초와 11.32 피코초의 시간 상수를 가지면서 생성되며 3 나노초까지 유지되는 것을 관측했다.

핵심 기술

시간분해 연속 펨토초 결정학이란 무엇인가?

시간분해 연속 펨토초 결정학은 엑스선 자유 전자 레이저에서 생성되는 펨토초 엑스선 펄스를 반응 중인 분자에 쏘아 얻은 엑스선 회절 신호를 분석해 특정 순간 분자의 구조를 알아내는 기법입니다. 이 기법은 기존 엑스선 결정학의 한계를 극복하고 분자의 역동적인 구조 변화를 실시간으로 관찰할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.

 

▲ 금속.유기 구조체 내의 전반적인 구조동역학 모식도

• 시간분해 연속 팸토초 결정학을 사용해 여러 분자 상태를 성공적으로 관찰했다. 첫째, Iosc은 5.55 피코초 주기로 진동하며, 2.68 피코초로 제동되는 철과 지르코늄 원자의 집단 진동 구조를 포착했다. 두 번째로 Itr은 200 펨토초인 IRF 내에 순간적으로 생성되고 47.1 피코초의 시간상수를 가지면서 사라지는 동안, 철 원자가 포르피린 평면 상에서 바닥상태보다 더 벗어나는 구조와 이에 따른 지르코늄 원자의 움직임을 포착했다. 마지막으로 Ihot은 1.1 피코초와 11.32 피코초의 시간 상수를 가지며 3 나노초까지 지속되었고, 이는 분자가 뜨거워질 때 일어나는 진동으로 인한 차이전자 밀도 지도의 특징을 보여준다.

연구 결과

금속-유기 골격체 내 철 포르피린의 구조 변화 규명

연구팀은 시간분해 연속 펨토초 결정학 기법을 사용하여 금속-유기 골격체에 흡착된 일산화탄소가 광해리 반응을 통해 떨어져 나오는 과정을 관찰했습니다. 그 결과, 광해리 반응으로 인해 철 포르피린의 구조가 세 가지 주요한 형태로 변화하는 것을 밝혀냈습니다. 이는 분자의 구조 변화가 반응 경로에 중요한 역할을 한다는 것을 보여주는 중요한 결과입니다.

연구의 의의

과학과 기술에 미치는 영향

이번 연구는 분자 동역학 분야에 새로운 이정표를 세우고, 촉매, 에너지 저장, 약물 전달 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다. 특히, 분자 구조를 정확히 통제하여 맞춤형 특성을 가진 새로운 물질을 설계하는 연구에 기초 정보를 제공할 수 있습니다.

연구 한계 및 향후 과제

이번 연구는 화학적 단결정 분자 내 구조 변화를 관찰하는 데 성공했지만, 아직 해결해야 할 과제가 남아 있습니다. 연구팀은 향후 연구를 통해 더 복잡한 분자 시스템에 시간분해 연속 펨토초 결정학 기법을 적용하고, 생체 시스템 내 분자의 동적 변화를 관찰하는 연구를 진행할 계획입니다. 또한, 이 기법의 시간 분해능을 더욱 향상시키고, 더 많은 데이터를 수집하고 분석할 수 있는 방법을 개발하는 데 노력할 것입니다.

 

이번 연구 결과는 3월 25일 19시(한국시간) 국제학술지 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 온라인 판에 게재됐습니다.

• 논문제목: Dynamic 3D structures of a metal–organic framework captured with femtosecond serial crystallography
• 저널(연도): Nature Chemistry (2024)
• 저자: 강재동, 이윤범, 이성곤, 기호성, 김중민, 구자인, 차용준, 허준, 이경원, 김성옥, 박재현, 박성열, 김상수, 마로리, 엄인태, 김민석, 김정호, 이재혁, 이효철

결론 및 기대 효과

이번 연구는 단결정 내 역동적인 분자 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 새로운 방법을 제시했습니다. 이 기법은 분자 동역학 분야에 새로운 가능성을 열어주고, 다양한 과학 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다. 특히, 촉매, 에너지 저장, 약물 전달 등 다양한 분야에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 전망됩니다.

 

 

출처 : 기초과학연구원

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