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[랩큐멘터리] 4세대 가속기, 물질의 근본 원리를 찾는 탐험

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[랩큐멘터리] 4세대 가속기, 물질의 근본 원리를 찾는 탐험

2020.12.24 14:00
포스텍 X선 회절 및 분광학 연구실
 

눈금의 길이가 1㎝인 자로 벼룩의 길이를 잴 수 없듯 아주 짧은 시간 동안 분자 세계에서 일어나는 일을 관찰하려면 특별한 도구가 있어야 한다. 김경환 포스텍 화학과 교수가 이끄는 ‘X선 회절 및 분광학 연구실’은 ‘꿈의 빛’이라고 불리는 4세대 가속기를 이용해 분자의 구조와 화학 반응이 일어나는 과정을 ‘제대로’ 보는 연구를 진행하고 있다. 
 
4세대 가속기는 X선보다 10억 배 밝은 빛을 만드는 첨단 장비다. 이 빛을 이용하면 펨토초(1000조분의 1초) 동안 미시 세계에서 일어나는 일을 포착할 수 있다. 아주 짧은 시간만 존재할 수 있는 물질을 살펴보거나 화합물이 만들어지는 과정을 빠짐없이 관찰할 수 있다. 
 
X선 회절 및 분광학 연구실에서는 4세대 가속기를 이용해 무기 촉매, 생체 작용 단백질을 포함한 다양한 분자를 관찰해 그동안 알려지지 않았던 성질을 규명한다. 일반적인 액체와 성질이 다른 물 분자를 분석해 ‘액체-액체 임계점(LLCP)’의 존재를 밝힌 연구가 대표적이다. 오래전부터 학자들은 액체 상태의 물이 온도와 압력에 따라 무거운 물과 가벼운 물로 존재한다는 가설을 증명하려고 애썼다. LLCP는 이 가설에서 두 상태가 공존하기 시작하는 지점으로, 가설에 따르면 물은 LLCP를 지난 상태여서 한 가지 상태로 존재한다. 

 

x선 회절 및 분광학 연구실에서는 4세대 가속기를 활용, 다양한 분자를 관찰하고 그동안 알려지지 않았던 성질을 규명하고자 한다.
x선 회절 및 분광학 연구실에서는 4세대 가속기를 활용, 다양한 분자를 관찰하고 그동안 알려지지 않았던 성질을 규명하고자 한다.

최근 X선 회절 및 분광학 연구실에서 LLCP에 관한 중요한 성과가 나왔다. 물을 영하의 온도에서 액체 상태를 유지하도록 만든 ‘과냉각수’ 분자를 관찰해 물이 저온에서 서로 다른 두 가지 상태로 존재한다는 사실을 증명한 것이다. 과냉각수는 아주 짧은 시간 동안만 액체 상태를 유지할 수 있는데, 4세대 가속기로 이 순간을 포착해 분석할 수 있었다. 
 
4세대 가속기는 전 세계 학자들이 공동으로 사용하도록 하고 있다. 이를 통해 세계적인 연구 그룹과 자연스럽게 교류할 수 있고 공동 경험도 많이 쌓을 수 있다. X선 회절 및 분광학 연구실은 단기적으로 LLCP의 정확한 위치를 찾는 연구를 할 예정이고, 장기적으로는 여러 물질의 화학 반응 과정을 밝혀 사람들이 유용한 물질을 만들 수 있도록 돕는 게 목표다. 활기 넘치는 연구실에서는 매일 물질의 근본적인 원리를 찾는 탐험이 이어지고 있다.

 

 

포스텍 'X선 회절 및 분광학 연구실' 보기 https://youtu.be/zIy1ckoTVFg

 

 

※대학 연구실은 인류의 미래에 어떤 일들이 펼쳐질지 엿볼 수 있는 창문입니다. 인류 지식의 지평을 넓히는 연구부터 실제 인간의 삶을 편하게 하는 기술 개발까지 다양한 모험과 도전이 펼쳐지고 있습니다.  오늘도 연구실마다 교수와 연구원, 학생들이 머리를 맞대고 열정을 펼치고 있습니다.  연구자 한 명 한 명은 모두 하나하나의 학문입니다.  동아사이언스는 210개에 이르는 연구실을 보유한 포스텍과 함께 누구나 쉽게 연구를 이해할 수 있도록 2분 분량의 연구실 다큐멘터리, 랩큐멘터리를 매주 화요일과 목요일 소개합니다. 

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