이온의 구조적 암흑, 숨겨진 비밀 탐험… IBS 연구팀의 혁신적 발견

기초과학연구원(IBS) 첨단 반응동역학 연구단은 기체 상태 이온의 탄생과 변화 과정을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다. 연구팀은 이온이 구조적 암흑 상태 등 기존에 알려지지 않았던 단계들을 거쳐 생성물을 형성한다는 것을 알아냈다.

 

[그림 1] 다이브로모프로판 분자에 대한 메가전자볼트 초고속 전자 회절 실험 구성도

• 실험을 위해 다이브로모프로판 분자에 강렬한 펨토초 자외선 레이저 펄스를 조사하여 공진강화 다광자 이온화를 유도했다. 메가전자볼트 초고속 전자 회절의 피코초 및 옹스트롬 시공간 분해능은 이온화된 다이브로모프로판의 초고속 구조변화를 직접 시각화할 수 있게 하였다.
•  이 과정에서 이온화 전후의 다이브로모프로판 분자 구조는 초고속 전자 펄스가 만들어내는 시간에 따른 회절 패턴을 측정함으로써 관찰되었다. 이온화 이전에는 분자가 중성 상태로 유지되며, 대부분의 전자 펄스가 직선으로 이동한다. 이 중 일부 전자는 분자와 상호작용하여 대칭적인 회절 무늬를 생성한다.
•  반면에 분자가 이온화된 후에는 전자빔이 생성된 이온에 의해 편향을 겪어 비대칭 회절 무늬가 생성된다. 이때 나타나는 산란 패턴은 생성된 이온의 구조 및 이온의 양의 변화에 관한 정보를 내포하고 있다.

이온의 구조적 암흑 탐험

한국의 IBS(기초과학연구원)에서 이효철 교수를 중심으로 한 연구팀이 기체 상태 이온의 실시간 생성과 변화 과정을 Nature에 발표했다. 연구에서는 메가전자볼트 초고속전자회절과 공명 증강 다광자 이온화 기법을 결합하여 이온의 구조적 암흑 상태를 최초로 규명했다.

 

[그림 2] 2차원 회절 이미지 및 등방성 및 비대칭 성분 분해 결과

• 이온화 직후의 시간 변화에 따른 2차원 차이 회절 이미지와 이로부터 분리해낸 등방성 및 비대칭 신호 성분을 나타낸 그림. 생성된 이온에 의한 전자빔의 편향으로 인해 방위각에서 산란 이미지에 비대칭성이 나타난다.
•  각 비대칭 이미지는 등방성 성분과 비대칭 성분으로 분해되었다. 이때 나타나는 각각의 등방성 신호와 비대칭 신호의 크기 변화를 비교함으로써 구조변화가 4 피코초 가량의 지연을 보이며 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

기존의 미비한 연구 동향

이온은 우리 일상에서부터 우주까지 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 그러나 이온의 구조와 형태 변화에 대한 연구는 미미했다. 이는 미세한 시간과 공간에서 움직이는 이온의 동역학을 실험으로 관측하기 어려웠다.

메가전자볼트 초고속전자회절의 혁신

IBS 연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 '메가전자볼트 초고속전자회절'을 도입했다. 이 장비는 고속으로 전자를 가속시키는데, 더 높은 민감도를 제공하여 이온의 동역학을 높은 해상도로 관측할 수 있었다.

공명 증강 다광자 이온화 기법의 활용

또한, 공명 증강 다광자 이온화 기법을 활용하여 특정 이온을 대량 생성하고 실험에서 관측할 수 있었다. 이 기법은 상술한 에너지 준위를 통해 분자를 이온화하는 고급 기법으로, 연성 이온화 기법 중 하나이다.

 

[그림 3] 공진강화 다광자 이온화 과정에 따른 다이브로모프로판의 전반적인 구조동역학

• 실험을 통해 연구진은 처음에는 약 3.6 피코초 동안 아무런 구조적 변화가 관측되지 않음을 확인하였다. 이후, 15 피코초의 시간 상수를 가진 반응중간체인 아이소-다이브로모프로판 양이온이 형성된다.
•  마지막으로, 아이소-다이브로모프로판 양이온 내의 느슨하게 결합된 브롬 원자가 탈출하여 77 피코초의 시간 상수로 브로모늄 모노브로모프로판 양이온이 생성된다.
•  이러한 결과를 통해 고립된 이온이 안정화되는 과정을 직접적으로 관찰하였으며, 이때 나타난 최종 생성물이 유기반응 중간체로도 많이 알려진 브로모니움 형태를 가짐을 확인 할 수 있었다.

이온의 독특한 거동 발견

연구에서는 1,3-다이브로모프로판(DBP, C3H6Br2)에서 유래한 양이온의 생성과 구조변화 과정을 관찰했다. 이와 관련해 양이온이 생성된 후 '구조적 암흑 상태'에 머무르는 현상을 최초로 발견했다. 이 구조적 암흑 상태는 약 3.6피코초 동안 지속되며, 이후에는 브롬 원자를 포함한 중간체로 변화하고 최종적으로 브로모늄 이온((C3H7Br)+)을 형성했다.

 

연구 추가 설명

논문명/저널명: Capturing the generation and structural transformations of molecular ions/Nature

저자정보: 허준, 김도영, Alekos Segalina, 기호성, 안두식, 이성곤, 김중민, 차용준, 이경원, Jie Yang, J. Pedro F. Nunes, Xijie Wang, 이효철*

연구내용 보충설명

[연구 배경]

모든 물질은 쪼개면 원자라는 기본 단위로 이루어진다. 원자를 잘게 쪼개면 원자핵과 그 주변을 둘러싼 전자로 이뤄져 있다. 둘 다 전하를 띠고 있는데 원자핵은 양전하를 전자는 음전하를 띠고 있다. 양전하의 양과 음전하의 양은 일반적으로 정확히 같아서 전체 원자는 전하를 띠지 않은 중성 원자 상태다.

이처럼 물질을 이루는 기본 단위인 원자는 원자간 화학결합을 통해 원자들이 모여서 분자를 만드는데 이 분자 또한 일반적으로 양전하와 음전하가 균형을 이루어서 중성 상태다. 분자에서 음전하를 띤 전자가 빠져나가면 남아있는 분자는 양전하를 띤 양이온이 된다.

지금까지의 연구를 통해 가장 많은 화학 반응이 일어나는 액상에서의 분자 및 이온이 보이는 구조 동역학은 깊게 연구됐으나, 우주 화학 등에서 중요시되는 순수한 이온 형태의 분자가 어떻게 움직이며 어떤 형태를 가지는지 관찰한 연구는 지금껏 없었다.

이는 순수한 이온을 생성하는 것이 어렵고, 수 피코초(1조 분의 1초)라는 찰나의 순간에 수 옹스트롬(1억 분의 1센티미터) 수준으로 미세하게 움직이는 이온의 시간과 공간에 따른 변화를 관측하기 어렵기 때문이다.

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

[연구의 중요성]

이온은 우리의 삶 전방위에 존재한다. 가령, 방전 현상은 가스나 기체에 전기 에너지를 주면 이온화되어 플라스마가 생성되는 현상이다. 이온화는 수용액이나 액체에서 이온이 분리되는 현상으로, 소금(NaCl)이 물에 녹을 때 나트륨(Na+)과 염소(Cl-) 이온으로 분리 현상이 대표적이다. 번개가 치는 현장에서도 이온화된 대기가 관여한다. 우리의 삶에 와닿는 이온은 리튬 이온 배터리 속의 이온이다.

이처럼 이온은 우리 생활 곳곳에서 중요한 역할을 하고 있으며, 이온의 구조적 특성과 동역학을 이해하는 것은 과학과 기술 발전에 있어 매우 중요하다. 그러나 이온의 분자 구조와 형태 변환은 실험적 어려움으로 인해 충분히 탐구되지 못했는데, 특히 기체 상태에서 이온의 구조적 동역학을 포착하는 것은 더욱 도전적인 과제였다.
연구 이야기

[어려웠던 점] 

이온 분자의 변화를 관찰하기 위해서는 기존의 엑스선을 이용한 실험 방법을 이용하는 것이 불가능했고, 따라서 높은 민감도를 가지는 메가전자볼트 초고속 전자 회절이 가능한 대형 설비를 이용해야 했다.

그러나 이온 분자 자체가 가지는 전하가 측정에 사용되는 전자선에 직접적인 영향을 주기 때문에 메가전자볼트 초고속 전자 회절을 이용한 측정 결과에는 특수한 왜곡이 더해지게 되었고 이 부분을 이론적으로 제거하는 부분이 가장 어려웠던 점이라 할 수 있다.

이를 해결하기 위해 연구진은 왜곡의 특성을 이론적으로 모델링 하여 왜곡 보정 방법론을 구축하였으며, 나아가 방법의 실효성을 시뮬레이션을 통해 검증한 뒤 실험 결과에 적용, 성공적으로 연구를 수행할 수 있었다.

[성과 차별점]

본 연구는 물질이 외부 환경의 영향을 받지 않는 기체상 조건에서 이온의 구조동역학을 구조변화를 직접 관찰할 수 있는 회절법을 통해 풀어낸 첫 연구이다. 세계 최초로 기체상에서 이온의 구조변화를 직접적인 방법으로 풀어낸 연구인 만큼, 이온의 구조동역학 연구 분야에 대한 초석 역할을 했다고 할 수 있다.

[향후 연구계획]

생성된 이온의 시간에 따른 구조변화를 처음으로 풀어낸 만큼, 우리 연구진은 이온이 기존에 보고된 중성 상태의 분자들과는 다르게 독특한 거동을 보이는 것을 관찰할 수 있었다. 반응 초기에 다소 긴 시간 동안 존재하는 '구조적 암흑 상태'와 비정상적으로 긴 브롬 간 거리를 가진 중간체의 구조가 대표적인 그 예시이다.

이러한 특징들이 이 분자 이온에 한해 국한되어 일어난 현상인지, 혹은 다른 할로늄 이온이나 더 나아가 모든 이온 종에 대해서 광범위하게 나타나는 특징인지를 파악하기 위해 우리 연구진들은 현재 후속 연구를 계획하고 있다.

 

연구를 이끈 팀은 이번 연구를 통해 기존에 알려지지 않았던 이온의 감춰진 비밀을 해부했다. 그러나 이는 과학이 발전하고도 알려지지 않은 물질세계의 비밀이 많이 남아있다는 점을 상기시키는 결과이다. 이번 연구는 화학 반응 메커니즘, 물질의 특성 변화, 우주 화학 등 다양한 분야에서 새로운 통찰력을 제공할 것으로 기대된다.

이 연구 결과는 1월 11일 01시(한국시간)에 최고 권위의 국제학술지 '네이처(Nature, IF 64.8)' 온라인 판에 게재되었다. 이로써 IBS 연구팀의 혁신적인 발견이 국제 학계에 공유되었다.

 

 

 

 

출처 : 기초과학연구원

 

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