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- X선 레이저, 분해 과정 중 화학 결합의 복잡한 변화 시각화
- 관찰 결과는 반응 메커니즘에 대한 상세한 그림을 제공
- 더욱 복잡한 화학 공정을 연구할 수 있는 새로운 길을 열어

분자 분열을 실시간으로 관찰
X선 레이저, 분해 과정 중 화학 결합의 복잡한 변화 시각화

초고속 과정 엿보기:
유럽의 XFEL X선 레이저는 하나의 분자에서 두 개의 새로운 분자가 형성되는 복잡하고 매우 빠른 과정을 최초로 시각화했다. 이 특정 사례에서는 요오드 분자가 전구체 분자인 디아이오도메탄(Diiodmethane)에서 분리되는 과정을 보여준다. X선 섬광은 이 과정에서 발생하는 화학 결합의 변형, 분리, 그리고 재형성을 보여준다. 이는 무엇보다도 중요한데, 이러한 반응은 지구 대기에서 발생하기 때문이다. 

▲ 연구자들은 유럽 XFEL X선 레이저를 사용하여 다이요오드메탄 분자의 분열을 관찰했다. © European XFEL/ Tobias Wüstefeld

화학 결합이 없었다면 우리 세상은 존재하지 않았을 것이다. 우리 주변의 모든 물질은 화학 결합을 통해 생성되고 화학 반응이 가능해졌다. 하지만 이러한 결합의 분리 또는 재형성 순간에 일어나는 일은 오랫동안 우리에게 보이지 않았다. 모든 것은 가장 작은 수준에서 발생하며, 현미경으로는 관찰하기에는 너무 빠른 1,000조 분의 1초밖에 걸리지 않는다. 화학자들은 X선 레이저를 이용해서만 물의 분해부터 CO2 분자의 생성까지 이러한 반응을 직접 관찰할 수 있었다.

제거 반응의 가시화

연구원들은 이제 또 다른 중요한 반응, 즉 다이요오드메탄(CH2I2)에서 분자 요오드(I2)가 분리되는 과정을 포착했다. 이 제거 반응을 위해서는 요오드와 탄소 사이의 두 결합이 끊어지고 두 요오드 원자 사이에 새로운 결합이 형성되어야 한다. 이러한 반응은 대기 화학부터 촉매 연구에 이르기까지 많은 화학 공정의 핵심이다.

하지만 이러한 반응에서는 분자 내에서 여러 단계가 빠르게 연속적으로 또는 동시에 발생하기 때문에 관찰이 어렵다. 캘리포니아 SLAC 국립 가속기 연구소의 샹 리(Xiang Li)와 그의 동료들은 유럽 XFEL X선 레이저를 사용하여 이를 달성했다.

▲ 레이저로 여기된 CH2I2 분자의 X선 이온화로부터 얻은 이온의 실험 스케치와 분자 프레임 운동량 분포. (출처:Published: 30 July 2025 Imaging a light-induced molecular elimination reaction with an X-ray free-electron laser / nature communications)

쿨롱 폭발로 결합 상태 밝혀내

연구원들은 실험을 위해 먼저 다이요오드메탄 분자에 적외선 레이저 펄스를 조사하여 화학 반응을 일으켰다. 그런 다음, 분자에 초단파 X선 섬광을 조사하여 분자의 상태를 영상화하고 동시에 "쿨롱 폭발"을 일으키며 분자가 폭발하도록 했다. 이러한 X선 조사 간격을 조절함으로써, 연구진은 반응 과정에서 분자 구성 요소의 거리, 에너지 준위, 결합 상태가 어떻게 변하는지 추적할 수 있었다.

이 과정은 COLTRIMS 반응 현미경(COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy)을 사용해 기록되었으며, 이 현미경은 "분자 파편"을 기반으로 이러한 상태를 재구성한다. 캔자스 주립대학교의 선임 저자인 아르템 루덴코(Artem Rudenko)는 "이 방법을 사용하여 메틸렌기가 분리되는 동안 요오드 원자가 어떻게 결합되는지 정확하게 추적할 수 있었다."라고 설명했다.

두 반응 경로가 병렬로 진행됨

이 실험은 다이요오드메탄에서 이원자 요오드 분자가 분리되는 동안 두 반응 경로가 병렬로 진행됨을 보여주었다. "첫 번째 경로는 두 요오드 원자가 서로 접근함에 따라 분자 내 두 탄소-요오드 결합이 동시에 신장되는 것이 특징이다."라고 연구진은 설명했다. 그 후 요오드 원자는 탄소에서 분리되어 서로 결합하여 분자 요오드를 형성한다.

▲ 다이요오드메탄은 두 가지 방식으로 분해될 수 있다. © Li et al./ Nature Communications, CC-by-nc-nd 4.0

두 번째 경로는 추가적인 중간 단계를 포함한다. 탄소-요오드 결합이 끊어진 후, 분리된 CH2기가 다시 튀어 올라 자유 요오드 원자 중 하나와 임시 결합을 형성한다. "그런 다음 CH2기가 회전하여 이 C-I 결합을 다시 끊어 요오드-요오드 결합을 형성한다."라고 Li와 그의 동료들은 보고했다.

더 복잡한 화학 과정에 대한 새로운 통찰

이러한 관찰 결과는 동기 및 비동기 메커니즘 모두가 요오드 분자 형성에 기여함을 확인시켜 주며, 이는 기존의 이론적 모델을 확인하고 개선하는 결과다. Li는 "이제 분리된 분자에서 화학 반응 중에 결합이 어떻게 끊어지고 재형성되는지 실시간으로 원자 정밀도로 정확하게 관찰할 수 있다."라고 말했다.

이는 화학 공정을 진정으로 이해하는 데 중요한 단계다. 이러한 관찰 결과는 반응 메커니즘에 대한 상세한 그림을 제공할 뿐만 아니라, 더욱 복잡한 화학 공정을 연구할 수 있는 새로운 길을 열어준다. 앞으로 이러한 기술은 더 큰 분자와 더 복잡한 반응으로 확장될 것이다.
참고: Nature Communications, 2025; doi: 10.1038/s41467-025-62274-z
출처: European XFEL, SLAC National Accelerator Laboratory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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