기체 이온 탄생·변화과정 포착 성공

기초과학연구원 연구팀, 실시간 관찰

공진강화 다광자 이온화 과정 다이브로모 프로판의 구조동역학[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

[충청투데이 박현석 기자] 국내 연구팀이 이온의 숨겨진 변신 과정을 밝혀냈다.

기초과학연구원(IBS)은 첨단 반응동역학 연구단 이효철 단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 기체 상태 이온이 탄생하고, 변화하는 과정을 실시간 관찰했다고 11일 밝혔다.

이 과정에서 이온이 구조적 암흑 상태 등 기존에 알려지지 않았던 단계들을 거쳐 생성물을 형성한다는 것을 알아냈다.

연구팀은 앞선 연구에서 분자결합이 끊어지는 순간과 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간, 화학 반응의 시작부터 끝까지 전 과정 분자 구조를 원자 수준에서 관측했다.

당시 연구는 X선을 이용했지만, 이온의 동역학 관측에는 더 높은 민감도를 가진 실험이 필요하다.

연구팀은 더 빠르고 작은 움직임을 볼 수 있도록 고안된 '메가전자볼트 초고속 전자회절'(MeV-UED) 장비를 활용했다.

여기에 특정 이온을 실험에서 관측할 정도로 대량 생성하기 위해 '공명 증강 다광자 이온화 기법'을 적용했다. 이 과정에서 중성 상태 분자와는 다른 이온의 독특한 거동도 포착했다.

이번 연구에서는 1, 3-다이브로모 프로판(DBP, C3H6Br2)에서 유래한 양이온 생성과 구조변화 과정을 관찰했는데, 양이온이 생성된 후 아무런 구조변화가 일어나지 않는 '구조적 암흑 상태'(dark states)에 머무르는 현상을 최초로 발견했다.

구조적 암흑 상태는 약 3.6 피코초 동안 지속됐다.

약 15피코초 후 DBP 양이온은 느슨하게 결합된 브롬(Br) 원자를 포함한 중간체로 변환됐다가, 77피코초 후 브롬 원자가 떨어져 나가며 최종적으로 브로모늄 이온((C3H7Br)+)을 형성했다.

이번 연구 결과는 최고 권위의 국제학술지 '네이처'(Nature) 온라인판에 게재됐다.

박현석 기자 [e-mail]