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- 할로겐-결합 '시그마 구멍(Sigma-Loch)'의 첫 번째 직접 이미지
- 할로겐 결합은 언뜻 보기에 모든 화학 규칙과 모순
- Kelvinsonde(켈빈 탐침)-파워 현미경을 사용해 직접 이미징 달성
- 원자와 분자 사이의 상호 작용을 탐구할 수 있는 새로운 가능성 열어

'불가능한' 결합의 비밀 밝혀졌다
할로겐-결합 "시그마 구멍(Sigma-Loch)"의 첫 번째 직접 이미지

보이지 않는 것을 보이게:
과학자들이 처음으로 소위 할로겐 결합의 구조를 보이게 만들었다.
즉, 실제로 서로 반발해야 하는 두 개의 전기음성 원자 사이의 다리결합(bridged bond)이다. 이 결합은 할로겐 원자가 전자의 고르지 않은 분포를 발달시키기 때문에 가능하다. 과학자들이 이제 처음으로 직접 가시화하여 거의 50년 만에 이론을 확증한 것은 바로 이 ‘시그마 구멍이다. 

▲ 특정 상황에서 할로겐 원자(빨간색)는 원자 껍질에 일종의 "전자 구멍"을 형성하여 실제로 "불가능한" 다리 결합을 형성할 수 있다. © FZU / DRAWetc

원자가 분자가 되는 고전적인 화학 결합 외에도 화학에는 다리 결합 형태의 다른 연결력이 있다. 원자의 화학적 성질을 바꾸지는 않지만 분자나 분자 그룹을 안정화하는 데 중요하다. 수소 결합의 경우 분자 내 전하 이동은 관련된 원자 사이에 인력이 생성되도록 한다.

반발 대신 다리결합

오랫동안 미스터리였던 한 가지 형태의 다리가 있다.
이 소위 할로겐 결합은 언뜻 보기에 모든 화학 규칙과 모순되기 때문이다. 이 결합은 부분 전하가 다른 원자 사이가 아니라 두 개의 강한 전기음성 원자 파트너 사이에서 발생한다. "이러한 원자들 사이의 긴밀한 접촉은 이론적으로 정전기 반발을 유발해야 한다"고 프라하에 있는 CATRIN 연구 센터의 팀 리더인 파벨 젤리네크(Pavel Jelinek)와 그의 동료들이 설명했다.

이상하게도 반발력이 없고 브롬, 염소 또는 요오드와 같은 할로겐 원자는 전기음성 파트너와 다리를 형성한다. 거의 50년 전에 ’시그마 구멍‘ 이론이 이 ’불가능한‘ 결합에 대한 설명을 제공했다. 그 후 할로겐 원자의 전자 궤도가 이동하여 음의 고리를 형성한다. 이것은 원자의 ’극‘에 양의 영역을 만들어 음의 파트너인 시그마 구멍과의 결합을 가능하게 한다.

전자 센서로서의 크세논 원자

Jelinek과 그의 팀은 이제 이 시그마 구멍이 실제로 존재하고 어떻게 생겼는지 처음으로 직접 볼 수 있게 했다. 그전에는 화학자들이 이 균일한 전자 분포의 존재를 간접적으로만 추론할 수 있었다.

최근 팀은 Kelvinsonde(켈빈 탐침)-파워 현미경을 사용해 직접 이미징을 달성할 수 있었다. 이 기술을 사용하면 단 하나의 원자로 구성된 팁이 짧은 거리에서 표면을 스캔한다. 그것은 작은 편향으로 원자 규모의 정전기 인력에 반응한다.

▲ 켈빈 탐침 현미경의 끝에 있는 크세논 원자는 브롬 원자의 전자 분포를 감지하는 센서 역할을 했다. © FZU / DRAWetc

Jelinek의 동료인 Bruno de la Torre는 "단일 크세논 원자를 측정 팁으로 사용해 켈빈 프로브의 감도를 개선했다. 연구원들은 테스트 대상으로 브롬화 테트라페닐메탄(각 끝에 할로겐 원자가 있는 4개의 탄화수소 고리로 구성된 화합물)을 사용했다. 이론에 따르면, 그러한 화합물의 브롬 원자는 분명히 불균일한 전자 분포를 가져야 한다.

표면에 적용하면 이 분자는 작은 삼각대처럼 똑바로 서서 할로겐 원자 중 하나를 수직으로 위로 향하게 한다. "이러한 배열 덕분에 우리 프로브의 끝 원자를 사용하여 할로겐 원자의 시그마 구멍을 직접 조사하는 것이 더 쉬워졌다"고 과학자들은 설명했다.

동그란 고리 전하 이동은 시그마 구멍을 나타낸다.

실제로, 분석 결과 브롬 원자 주위에 도넛 모양의 놀라운 전자 농도가 나타났다.
일종의 수영 고리처럼, 음전하는 원자의 측면에 집중되어 있고 끝부분은 분명히 양의 영역을 가지고 있다. "이 구멍을 처음 보았을 때 현미경의 해상도 한계를 아원자 수준으로 낮췄다는 것을 상상할 수 없었기 때문에 처음에는 회의적이었다"고 de la Torre가 설명했다.

▲ 관찰된 전자 분포는 예측된 시그마 홀과 거의 완벽하게 일치했다. © Tomas Bellon / IOCB Prague

그러나 추가 측정을 통해 이를 확인했다.
연구팀이 오래전부터 예견한 시그마 구멍을 직접 가시화하는 데 성공해 할로겐 결합의 비밀을 밝혀낸 것은 이번이 처음이다. Jelinek은 이것을 처음으로 가정된 구성을 직접 묘사한 블랙홀의 첫 번째 사진과 비교했다. 연구원은 “이런 점에서 보면 시그마 구멍의 이미지를 원자 수준에 견줄 만한 이정표로 묘사해도 과언이 아니다”고 말했다.

화학, 물리학 및 재료 연구를 위한 새로운 기회

과학자들에 따르면, 이러한 전자 이동을 가시적으로 만드는 능력은 원자와 분자 사이의 상호 작용을 탐구할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 이것은 차례로 화학, 재료 연구뿐만 아니라 생물학 및 의학에 대한 귀중한 새로운 지식을 제공할 수 있다.
(Science, 2021; doi: 10.1126 / science.abk1479)
출처: 체코 과학 아카데미(IOCB) 유기 화학 및 생화학 연구소
Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the Czech Academy of Sciences (IOCB)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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