국내 연구진이 초고속 카메라로 촬영하듯이 분자의 움직임을 관찰해 빛에 의해 이성질체로 변하는 화학반응 과정을 밝혀냈다. 

부산대 김태규 교수 연구팀은 엑스선 분광법을 이용해 루테늄(Ru) 기반 물질의 광 변색 과정을 규명했다고 한국연구재단이 28일 밝혔다.

루테늄 기반 물질의 광변색 이성질체 현상은 미국 오하이오 주립대그룹이 2011년 보고했다. 광변색 이성질체 현상은 빛에 의해 분자의 특정 구조 변화가 일어나 화합물의 색이 변화하는 현상이다. 루테늄 전이금속 콤플렉스에 빛을 가하면 매우 좋은 효율로 짧은 시간 내 광변색 이성질체 현상이 나타난다. 극초단 레이저 분광법 및 다양한 양자화학 계산 방법들이 광변색 이성질체 현상의 메커니즘 규명에 활용되었지만 그 근본적인 원리는 수수께끼로 남아 있었다. 

김 교수팀은 화학반응의 과정을 밝히기 위해 레이저 기술과 엑스선 분광법을 결합했다. 레이저 기술은 다양한 분자 및 전자 구조를 관찰하는 데 이용된다. 여기에 1초에 1조 번 이상 촬영할 수 있는 엑스선을 결합해 분자의 움직임, 전자의 재배치 과정에 대해 보다 정확한 정보를 알아냈다.

이를 통해 연구팀은 루테늄 기반 화합물의 광 변색 이성질체 반응 경로를 규명했다. 광 변색 이성질체 반응이란 화합물이 빛을 흡수한 뒤 분자의 특정 구조에 변화가 일어나 색이 바뀌는 현상이다.

특히 광 변색 화학반응이 단일 경로였던 기존 연구결과와 달리, 두 종류의 반응 경로가 경쟁적으로 일어난다는 것을 밝혀냈다. 또 이 과정에서 발생하는 중요한 반응 중간체를 발견해 학계에 보고했다.

김태규 교수는 “루테늄은 광 스위치 소자 및 태양광 전환 소재 등 기능성 소재에 자주 활용되는 원자"라면서 "이 원자의 흡수에너지 영역에서 엑스선 분광 측정에 성공한 것은 최초”라고 설명했다. 김 교수는 이어 “이 연구에서 개발된 엑스선 분광법을 바탕으로 다양한 에너지 소재의 작동 과정을 규명할 수 있을 것“이라고 했다.

이번 연구과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업, 글로벌연구협력지원사업의 지원으로 진행됐다. 연구 성과를 담은 논문(논문명: Transient Metal-Centered States Mediate Isomerization of a Photochromic Ru-Sulfoxide Complex)은 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 5월 18일 자에 실렸다. 

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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