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지금까지 기체 상태에서만 가능했다.
물의 광 방출을 사용해 물 분자에 빛을 조사.생화학적으로 흥미로운 반응을 이해하는 데 도움.

ETH, 최초로 액체에서 전자이동을 포착

 

전자는 외부에서 에너지가 가해지면 여기되거나 화학 반응 중에 분자 안에서 움직일 수 있다. 처음으로 과학자들이 액체에서 이 전자 이동의 처음 수십 아토초 (attoseconds; 10^-18초)를 조사하는 데 성공했다.

▲ ETH(취리히 공대) 연구진들이 개발한 장치. 위에서 분석챔버에 물을 주입한다. 분석챔버에는 레이저 펄스에 의해 짧은 마이크로 제트가 형성된다. ETH Zürich / Inga Jordan

화학 반응이 어떻게 시작되는지 이해하기 위해 화학자들은 수년간 슈퍼 슬로우 모션 실험을 사용해 반응의 첫 순간을 조사해 왔다. 이제 수십 아토초(attoseconds)의 분해능으로 측정이 가능하다. 아토초는 1초의 10^18 분의 1, 즉 1/100 만분의 1초다.

ETH Zurich의 물리화학연구소 한스 야콥 뵈르너(Prof. Hans Jakob Wörner)는 "반응의 처음 수십 아토초 동안 전자가 분자 내에서 어떻게 움직이는지 관찰 할 수 있다"라고 설명한다. "나중에 약 10,000 아토초 또는 10펨토초 과정에서 화학 반응은 화학 결합이 끊어질 때까지 원자의 움직임을 유도한다."

5년 전, ETH 교수는 아토초 동안 전자 이동을 감지할 수 있었던 최초의 과학자 중 한 명이었다. 그러나 지금까지 이러한 측정은 고진공 챔버에서 이루어지기 때문에 기체 형태의 분자에서만 수행할 수 있었다.

액체에서 지연된 수송

새로운 측정 장치를 구축하면서 Wörner와 그의 동료는 이제 액체에서 이러한 움직임을 감지하는 데 성공했다. 연구진은 물의 광 방출을 사용해 물 분자에 빛을 조사하여 전자를 방출했다. 과학자들은 이러한 전자를 측정할 수 있다. "우리는 레이저 펄스로 매우 정밀하게 시작할 수 있기 때문에 조사를 위해 이 프로세스를 선택했다."라고 Wörner는 설명했다.
 
새로운 측정은 고진공에서도 이루어졌다.
Wörner와 그의 팀은 25마이크로미터의 얇은 액체 제트를 사용하여 측정 챔버에 주입했다. 과학자들은 액체의 물 분자에서 전자가 증기 형태의 물 분자에서보다 50-70 attoseconds 늦게 운반된다는 것을 측정할 수 있었다. 시간 차는 액체의 분자가 다른 물 분자로 둘러싸여 있어 개별 분자에 대해 측정 가능한 지연 효과가 있기 때문이다.

▲ 2017년 10월 27일 ETH 소식지에 보도된 사진; 뵈르너 교수의 지도아래 박사후 과정에 있던 Dr. Thomas Gaumnitz가 당시 세계에서 가장 짧은 아토초를 발생시키는 장치앞에 있다. (사진 ETH Zuerich)

중요한 단계

“전자 운동은 화학 반응의 핵심 이벤트이다. 그렇기 때문에 고해상도 시간 척도로 측정하는 것이 매우 중요하다.”라고 Wörner는 말했다. 대부분의 화학 반응, 특히 생화학적으로 흥미로운 프로세스가 액체에서 발생하기 때문에 가스 측정에서 액체 측정까지의 단계는 특히 중요하다.

후자 중에는 물의 광 방출과 같이 빛 복사에 의해 유발되는 수많은 프로세스가 있다.
식물의 광합성은 망막의 생화학적 과정일 뿐만 아니라 X-선이나 다른 전리 방사선으로 인한 DNA 손상을 볼 수 있게 해주는 생화학 과정 중 하나다. 아토초 측정의 도움으로 과학자들은 향후 몇 년 내에 이러한 반응에 대한 새로운 통찰력을 얻게 될 것이다.
(Science, 2020; doi : 10.1126 / science.abb0979)

출처 : Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETH Zurich)

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