[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 현대 물리화학의 핵심 화두는 분자 수준의 탐색을 바탕으로 한 물성(物性) 이해다. 화학 반응의 동역학적 과정을 실시간으로 측정·이해하는 반응 메커니즘 연구는 유용한 물질을 만드는 결정적 단서를 제공하기 때문이다.

최근 국내 연구진이 초고속 카메라로 촬영하듯이 분자의 움직임을 관찰, 빛에 의해 이성질체로 변하는 화학반응 과정을 밝혀내는 데 성공했다. 

27일 한국연구재단에 따르면 김태규 부산대 화학과 교수 팀은 루테늄(Ru) 원자의 흡수에너지 영역에서 엑스선 분광 측정에 최초로 성공, 광 스위치 소자 및 태양광 전환 소재 등 기능성 소재에 자주 활용되는 루테늄 기반 물질의 광 변색 과정을 규명했다.

김태규 부산대 화학과 교수 [사진=한국연구재단]

특히 이번 연구성과는 기존에 측정이 어려웠던 텐더 엑스선 영역에서 처음으로 시간분해 엑스선 분광법을 확립, 다양한 광전환 에너지 소재의 반응 메커니즘을 규명하는 데 활용될 수 있어서 메커니즘 기반의 분자 소재 설계에 중요한 단초를 제공할 수 있다. 

나아가 차세대 가속기인 엑스선 자유전자 레이저를 이용하면 좀 더 빠른 시간대의 시간분해 엑스선 분광 스펙트럼도 측정, 다양한 에너지 관련 소재 핵심 반응의 전이상태 분자 구조 및 전자 구조를 규명할 수 있을 것으로 기대된다.  

연구팀은 화학반응의 과정을 밝혀내기 위해 레이저 기술과 엑스선 분광법을 결합했다. 레이저 기술은 다양한 분자 및 전자 구조를 관찰하기 위해 활용돼 왔다. 여기에 1초에 1조번 이상 촬영할 수 있는 엑스선을 결합해 분자의 움직임, 전자의 재배치 과정에 대해 정확한 정보를 얻어냈다. 

이를 통해 연구팀은 루테늄 기반 화합물의 광 변색 이성질체 반응 경로를 설명했다. 이는 화합물이 빛을 흡수한 뒤 분자의 특정 구조에 변화가 일어나서 색이 바뀌는 현상이다. 

특히 광 변색 화학반응이 단일 경로였던 기존 연구결과와 다르게, 두 종류의 반응 경로가 경쟁적으로 일어난다는 것을 밝혀냈다. 또 이 과정에서 발생하는 중요한 반응 중간체를 발견했다.

광 변색 이성질체 현상의 반응 메커니즘 : 루테늄(Ru)-전이금속 화합물은 가시광선 영역의 빛에 의해서 루테늄(Ru) 원자와 황(S) 원자의 결합이 회전하여 다른 색을 나타내는 광변색 이성질 현상이 일어난다. 이 연구에서 광변색 이성질 현상에서 Ru 원자에 위치한 전하의 금속-중심 들뜬 상태가 매우 중요한 역할을 하는 것을 규명하였다. [제공=한국연구재단]

김 교수는 “이번 연구에서 개발된 엑스선 분광법을 바탕으로 다양한 에너지 소재의 작동 과정을 규명할 수 있을 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.  

과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구 및 글로벌연구협력지원 사업으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 지난달 18일 소개됐다. 

kimys@newspim.com