화학반응 중 원자가 전자(Valence Electron)의 움직임을 최초로 관찰
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-09-12 17:29:02
4분 읽기
- 원자가 전자는 직접 관찰하기가 매우 어렵다.
- 관여한 분자 내에서 펨토초, 즉 1조 분의 1초 안에 일어나기 때문이다
- SLAC의 선형 가속기 간섭 광원에서 나오는 초단파 간섭 X선 펄스를 암모니아 분자에 충돌
- 물리학자들은 X선 스냅샷 덕분에 이 과정을 추적하고 원자가 전자의 위치를 파악
- 신약이나 신약 물질을 위한 분자를 합성하려고 할 때 이러한 부산물 발생 추적 가능
전자는 모든 화학의 기반이다. 전자는 화학 결합을 만들고, 분자를 결합시키거나, 분해한다. 결합 유형에 따라 원자는 최외각 전자 일부를 내주거나, 전자 궤도를 병합하는 등의 방식으로 원자가 전자를 공유한다. 따라서 분자 내 전자의 움직임을 가능한 한 정확하게 이해하는 것이 중요하다.
마스크 처리되고 매우 빠름
하지만 특히 원자가 전자는 직접 관찰하기가 매우 어렵다. 특히 화학 반응 중에는 더욱 그렇다. 관여한 분자 내에서 일어나는 과정이 펨토초, 즉 1조 분의 1초 안에 일어나기 때문이다. 이처럼 높은 시간 분해능은 특수 X선 레이저를 통해서만 얻을 수 있는데, 이 레이저는 단파장의 결맞는(coherence) X선으로 분자에 충격을 가하여 원자의 움직임을 본질적으로 정지시킨다. 이를 통해 결합이 어떻게 형성되고, 재배열되고, 끊어지는지 등을 밝혀낼 수 있었다.
하지만 문제는 이러한 레이저에서 방출되는 X선이 분자 내 모든 전자, 심지어 결합 과정에 참여하지 않는 내부 원자 껍질의 전자와도 상호 작용한다는 것이다. 캘리포니아 SLAC 국립 가속기 연구소의 이안 가발스키(Ian Gabalski)와 그의 팀은 "결과적으로 이러한 이미지는 내부 전자와 핵 산란 반응에 의해 지배된다"며 "이로 인해 화학적으로 중요한 원자가 전자의 특징이 가려진다"고 설명했다. 지금까지 원자가 전자의 움직임을 높은 시간 분해능으로 직접 관찰하고 추적한 적은 없다.
X선 레이저에서의 암모니아
이제 상황이 달라졌다. 가발스키와 그의 동료들은 분자를 통과하는 원자가 전자를 최초로 관찰하는 데 성공했다. 이를 위한 첫 번째 전제 조건은 적절한 분자, 이 경우에는 암모니아(NH3)를 선택하는 것이었다. 대부분 분자와 달리 이 화합물은 내부 전자보다 원자가 전자가 더 많다. 게다가 세 개의 수소 원자는 각각 전자를 하나만 가지고 있다.
"이를 통해 전체 반응에서 원자가 전자 분포의 시간에 따른 움직임만 추적할 수 있다"고 물리학자들은 설명한다. 이를 위해 그들은 SLAC의 선형 가속기 간섭 광원(LCLS)에서 나오는 초단파 간섭 X선 펄스를 암모니아 분자에 충돌시켰다. 이 펄스는 분자의 전자에 의해 산란되었고, 고시간 분해능 X선 회절(TRXS)을 통해 그 위치를 알아냈다.
"TRXS는 약 10펨토초의 시간 분해능을 달성할 수 있으며, 전자 밀도 분포만을 이미지화한다"고 가발스키와 그의 팀은 설명했다.
위치 변화 묘사
실제로 이 분석 방법을 모델 기반 평가와 결합함으로써 실험은 성공적이었다. 암모니아가 자외선에 의해 여기되었다가 붕괴될 때 원자가 전자가 어떻게 움직이는지 보여주었다. "일반적으로는 반응 중 원자가 전자가 어떻게 움직이는지 간접적으로만 추론할 수 있었지만, 이제 실제로 직접 관찰할 수 있게 되었다"고 스톡홀름 왕립 공과대학의 공동 저자인 난나 리스트(Nanna List)는 보고했다.
이미지는 일반적으로 피라미드 모양인 암모니아 분자의 모양이 어떻게 처음 변했는지 보여준다. 즉, 평평해졌다. 이로 인해 질소 원자에 결합된 세 개의 수소 원자 중 하나가 결합을 끊고 원자가 전자를 가져갔다. 물리학자들은 X선 스냅샷 덕분에 이 과정을 추적하고 원자가 전자의 위치를 파악할 수 있었다.
두 가지 반응 경로
흥미로운 점은 암모니아 분해가 두 가지 서로 다른 반응 경로를 따라 진행되었으며, 연구팀은 이 두 경로의 발생 과정과 전자 이동 또한 추적할 수 있었다는 것이다. 이는 분자가 특정 경로 또는 다른 경로를 따르는 상황에 대한 통찰력을 제공했다. 이러한 "분기"는 많은 화학 반응에서 발생하며, 이로 인해 바람직하지 않은 부산물이 생성될 수 있기 때문에 이 연구는 매우 중요하다.
"예를 들어, 신약이나 신약 물질을 위한 분자를 합성하려고 할 때 이러한 부산물이 발생할 수 있다"고 가발스키는 설명했다. "하지만 그 원인을 알면 원하는 방향으로 반응을 더욱 정확하게 조절할 수 있다." 원자가 전자를 직접 관찰하는 것이 도움이 될 수 있다.
물리학자들은 이미 이미지의 공간적 및 시간적 해상도를 더욱 높이기 위해 방법을 개선하고 있다. 가발스키는 "이 실험은 우리가 이전에 본 적 없는 것을 보여준 초기 개념 증명이었다."라고 강조했다.
참고: Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/53h3-vykl
출처: SLAC 국립 가속기 연구소
- 원자가 전자는 직접 관찰하기가 매우 어렵다.
- 관여한 분자 내에서 펨토초, 즉 1조 분의 1초 안에 일어나기 때문이다
- SLAC의 선형 가속기 간섭 광원에서 나오는 초단파 간섭 X선 펄스를 암모니아 분자에 충돌
- 물리학자들은 X선 스냅샷 덕분에 이 과정을 추적하고 원자가 전자의 위치를 파악
- 신약이나 신약 물질을 위한 분자를 합성하려고 할 때 이러한 부산물 발생 추적 가능
분자를 통해 추적된 전자
물리학자들은 반응 중 원자가 전자(Valence Electron)의 움직임을 최초로 관찰했다.
물리학자들은 모든 화학 반응의 기본 원리를 최초로 가시화했다. 그들은 반응하는 분자를 통해 원자가 전자의 움직임을 관찰했다. X선 레이저를 사용해 촬영한 이 이미지는 분자 내 전자의 위치가 어떻게 변하고 그 결과 어떤 결합이 끊어지는지 보여준다. 또한 두 가지 가능한 반응 경로로 이어지는 "가지"도 보여준다. 이러한 관찰은 화학 반응의 이면에 있는 과정에 대한 중요한 통찰력을 제공한다.
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| ▲ 물리학자들은 암모니아 분자의 반응 중에 분자 내에서 원자가 전자의 움직임을 처음으로 관찰했다. © Ian Gabalski, Stanford/SLAC National Accelerator Laboratory |
전자는 모든 화학의 기반이다. 전자는 화학 결합을 만들고, 분자를 결합시키거나, 분해한다. 결합 유형에 따라 원자는 최외각 전자 일부를 내주거나, 전자 궤도를 병합하는 등의 방식으로 원자가 전자를 공유한다. 따라서 분자 내 전자의 움직임을 가능한 한 정확하게 이해하는 것이 중요하다.
마스크 처리되고 매우 빠름
하지만 특히 원자가 전자는 직접 관찰하기가 매우 어렵다. 특히 화학 반응 중에는 더욱 그렇다. 관여한 분자 내에서 일어나는 과정이 펨토초, 즉 1조 분의 1초 안에 일어나기 때문이다. 이처럼 높은 시간 분해능은 특수 X선 레이저를 통해서만 얻을 수 있는데, 이 레이저는 단파장의 결맞는(coherence) X선으로 분자에 충격을 가하여 원자의 움직임을 본질적으로 정지시킨다. 이를 통해 결합이 어떻게 형성되고, 재배열되고, 끊어지는지 등을 밝혀낼 수 있었다.
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| ▲ 실험의 개략적 구성. UV 레이저(왼쪽)가 암모니아 분자를 여기시켜 수소 원자가 분리되기 전에 원자와 전자의 위치를 변화시킵니다. X선 레이저(위)가 이 과정을 영상화했다. © Ian Gabalski, Stanford/SLAC 국립 가속기 연구소 |
하지만 문제는 이러한 레이저에서 방출되는 X선이 분자 내 모든 전자, 심지어 결합 과정에 참여하지 않는 내부 원자 껍질의 전자와도 상호 작용한다는 것이다. 캘리포니아 SLAC 국립 가속기 연구소의 이안 가발스키(Ian Gabalski)와 그의 팀은 "결과적으로 이러한 이미지는 내부 전자와 핵 산란 반응에 의해 지배된다"며 "이로 인해 화학적으로 중요한 원자가 전자의 특징이 가려진다"고 설명했다. 지금까지 원자가 전자의 움직임을 높은 시간 분해능으로 직접 관찰하고 추적한 적은 없다.
X선 레이저에서의 암모니아
이제 상황이 달라졌다. 가발스키와 그의 동료들은 분자를 통과하는 원자가 전자를 최초로 관찰하는 데 성공했다. 이를 위한 첫 번째 전제 조건은 적절한 분자, 이 경우에는 암모니아(NH3)를 선택하는 것이었다. 대부분 분자와 달리 이 화합물은 내부 전자보다 원자가 전자가 더 많다. 게다가 세 개의 수소 원자는 각각 전자를 하나만 가지고 있다.
"이를 통해 전체 반응에서 원자가 전자 분포의 시간에 따른 움직임만 추적할 수 있다"고 물리학자들은 설명한다. 이를 위해 그들은 SLAC의 선형 가속기 간섭 광원(LCLS)에서 나오는 초단파 간섭 X선 펄스를 암모니아 분자에 충돌시켰다. 이 펄스는 분자의 전자에 의해 산란되었고, 고시간 분해능 X선 회절(TRXS)을 통해 그 위치를 알아냈다.
"TRXS는 약 10펨토초의 시간 분해능을 달성할 수 있으며, 전자 밀도 분포만을 이미지화한다"고 가발스키와 그의 팀은 설명했다.
위치 변화 묘사
실제로 이 분석 방법을 모델 기반 평가와 결합함으로써 실험은 성공적이었다. 암모니아가 자외선에 의해 여기되었다가 붕괴될 때 원자가 전자가 어떻게 움직이는지 보여주었다. "일반적으로는 반응 중 원자가 전자가 어떻게 움직이는지 간접적으로만 추론할 수 있었지만, 이제 실제로 직접 관찰할 수 있게 되었다"고 스톡홀름 왕립 공과대학의 공동 저자인 난나 리스트(Nanna List)는 보고했다.
이미지는 일반적으로 피라미드 모양인 암모니아 분자의 모양이 어떻게 처음 변했는지 보여준다. 즉, 평평해졌다. 이로 인해 질소 원자에 결합된 세 개의 수소 원자 중 하나가 결합을 끊고 원자가 전자를 가져갔다. 물리학자들은 X선 스냅샷 덕분에 이 과정을 추적하고 원자가 전자의 위치를 파악할 수 있었다.
두 가지 반응 경로
흥미로운 점은 암모니아 분해가 두 가지 서로 다른 반응 경로를 따라 진행되었으며, 연구팀은 이 두 경로의 발생 과정과 전자 이동 또한 추적할 수 있었다는 것이다. 이는 분자가 특정 경로 또는 다른 경로를 따르는 상황에 대한 통찰력을 제공했다. 이러한 "분기"는 많은 화학 반응에서 발생하며, 이로 인해 바람직하지 않은 부산물이 생성될 수 있기 때문에 이 연구는 매우 중요하다.
"예를 들어, 신약이나 신약 물질을 위한 분자를 합성하려고 할 때 이러한 부산물이 발생할 수 있다"고 가발스키는 설명했다. "하지만 그 원인을 알면 원하는 방향으로 반응을 더욱 정확하게 조절할 수 있다." 원자가 전자를 직접 관찰하는 것이 도움이 될 수 있다.
물리학자들은 이미 이미지의 공간적 및 시간적 해상도를 더욱 높이기 위해 방법을 개선하고 있다. 가발스키는 "이 실험은 우리가 이전에 본 적 없는 것을 보여준 초기 개념 증명이었다."라고 강조했다.
참고: Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/53h3-vykl
출처: SLAC 국립 가속기 연구소
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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