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‘1000조분의 1초’ 빛으로 ‘왼손잡이 분자’ 찾는다

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‘1000조분의 1초’ 빛으로 ‘왼손잡이 분자’ 찾는다

2018.12.27 18:25
분자의 초고속 움직임을 펨토초 단위로 실시간 분석할 수 있는 기초과학지원연구원 서울센터의 펨토초 다차원 레이저 분광시스템을 연구원들이 사용하고 있다. 화학, 생물, 재료분야에서 다양한 물질의 극초단 반응 동역학 규명 연구에 활용하는 선도연구장비이다. -사진 제공 기초과학지원연구원
분자의 초고속 움직임을 펨토초 단위로 실시간 분석할 수 있는 기초과학지원연구원 서울센터의 펨토초 다차원 레이저 분광시스템을 연구원들이 사용하고 있다. 화학, 생물, 재료분야에서 다양한 물질의 극초단 반응 동역학 규명 연구에 활용하는 선도연구장비이다. -사진 제공 기초과학지원연구원

왼손과 오른손은 모양은 똑같지만 거울에 비춘 것처럼 좌우가 서로 대칭이다. 분자 가운데에도 이렇게 좌우 대칭의 구조를 갖는 것들이 있다. 이들을 ‘키랄 분자'라고 한다. 두 키랄 분자는 일으키는 화학 반응이 서로 달라 이 물질을 약이나 촉매로 이용할 때 둘을 구분하는 게 무척 중요하다. 모양은 똑같지만 왼손에 해당하는 화학물질은 약, 오른손에 해당하는 화학물질은 독이 되기 때문이다. 하지만 두 물체는 거울 대칭이라는 점 외에는 구조가 똑같아 분류하는 데 어려움이 컸다.


최근 국내 연구진이 레이저를 이용해 키랄 분자의 대칭성을 구분하는 기술을 개발했다. 이한주 한국기초과학지원연구원 지역본부 서울센터 책임연구원가 이태곤 연구원과 조민행 기초과학연구원(IBS) 분자분광학 및 동력학연구단장(고려대 교수)팀은 강한 극초단파 적외선과 가시광선 레이저를 동시에 사용해 새로운 파장의 빛을 만드는 ‘합주파수 생성’ 방식의 새로운 광학시스템을 개발했다. 


연구팀은 이 시스템으로 1000조 분의 1초(펨토초)의 아주 짧은 시간 안에 일어나는 화학 반응을 관찰하는 데 성공하고, 이를 이용해 거울 대칭의 키랄 분자를 구분하는 데에도 성공했다. 1000초 분의 1초는 세계에서 가장 빠른 존재인 빛조차 겨우 0.0003mm 이동하는 찰나의 순간이다.

 

펨토초 레이저는 약 10~50 펨토초 단위로 켜졌다 꺼지는 동작을 반복하는 장치로, 이를 이용하면 화학 반응이 일어나는 찰나의 과정도 마치 동영상처럼 생생하게 볼 수 있다. 예를 들어, 광합성 때 엽록소가 에너지를 전달하는 시간은 약 350펨토초인데, 펨토초 레이저를 쓰면 레이저가 약 7~35번 깜빡이면서 확인한 엽록소 분자의 구조를 통해 화학 반응에 의한 변화를 알 수 있다.

 

거울 대칭을 이룬 키랄 분자의 예. R과 S는 두 거울대칭형의 이름이다(a). ′리모넨′이라는 분자다. 펨토초 레이저로 분광스펙트럼을 측정한 결과, 스펙트럼이 다르나는 사실을 알 수 있다(b). 이런 차이로 키랄 분자를 구분한다.
거울 대칭을 이룬 키랄 분자의 예. R과 S는 두 거울대칭형의 이름이다(a). '리모넨'이라는 분자다. 펨토초 레이저로 분광스펙트럼을 측정한 결과, 스펙트럼이 다르나는 사실을 알 수 있다(b). 이런 차이로 키랄 분자를 구분한다.

연구팀은 이를 이용해 거울대칭의 키랄 분자를 확인했다. 예를 들어 같은 아미노산이라도 거울 대칭 구조에 따라 마치 왼손, 오른손처럼 서로 다른 구조를 지니는데, 이들은 각각 다른 편광(빛이 진행할 때 전기장 방향이 왼쪽이나 오른쪽으로 나선처럼 회전하는 성질)을 만날 때 빛을 흡수하는 성질 등에 차이를 보이게 된다. 연구팀은 합주파수 생성을 통해 완성한 펨토초 레이저로 이런 특성 차이를 세밀하게 밝혀 내 키랄 분자이 어떤 거울 대칭인지 효율적으로 밝혔다.


이한주 책임연구원은 “펨토초 레이저를 이용해 키랄 분자의 입체화학 구조를 식별하는 기술은 아직 전 세계적으로도 거의 보고되지 않은 새롭고 어려운 분야”라며 이 기술을 광학현미경과 결합시켜 키랄 분자를 영상화하는 기술을 개발하는 게 다음 목표”라고 밝혔다.


이 연구 결과는 화학 분야 국제학술지 ‘물리화학저널 레터스’ 6일자에 발표됐다.
 

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