레이저로 분자 고유의 회전을 관측해 분자 구조와 질량 등을 파악할 수 있는 강력한 측정 기술이 개발됐다.

이 기술은 이 토마스 슐츠 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 화학과 교수팀이 개발했다. 

3일 UNIST에 따르면, 슐츠 교수는 지난 2011년 '상관 회전 정렬 분광학(CRASY, Correlated Rotational Alignment Spectroscopy)' 기술을 개발해 과학저널 '사이언스(Science)'을 통해 발표했다. 이번에 개발한 분자 측정 기술은 CRASY를 한층 향상시킨 것이다.

CRASY는 레이저를 2번 쏘아 분자를 인위적으로 회전시켜 관측하는 기술이다. 첫 번째 레이저는 분자를 회전시키고, 두 번째 레이저는 이를 관측한다. 두 번째 레이저로 측정한 정보를 분석하면 분자의 구조 뿐 아니라 질량, 에너지, 진동 등에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있다.

분자의 회전은 사람의 지문처럼 분자마다 고유한 지표다. 따라서 어떤 분자가 무엇을 중심축으로 삼고 어떤 방향으로 돌아가는지를 보면 구조를 쉽게 파악할 수 있다. 관건은 분자가 회전하는 아주 짧은 순간 순간을 재빠르게 포착한 고해상의 회전 스펙트럼을 얻는 것이다.

분자가 회전하는 찰나의 장면을 세세히 잡으려면 레이저 간격을 조정해 여러 번 측정해야 한다. 분자를 회전시킨 뒤 관측용 레이저를 쏘는 시간 간격을 달리 하면서 각 순간을 잡아내는 것이다. 이 자료를 모으면 1피코초(ps, 1조분의 1초)마다 찍힌 전체 스펙트럼이 된다. 전체 측정시간은 레이저 이동 거리를 늘려서 지연시키는데 일반적으로 거울로 레이저를 반사시켜 멀리 돌아가게 만든다.

하지만 실험실에서 레이저 이동거리를 무한정 늘리기는 어렵다. 이를 해결하기 위해 슐츠 교수팀은 작은 거울과 전기신호를 이용하는 방법을 결합해 레이저의 이동거리를 90m까지 늘렸다. 그 결과 측정시간은 300나노초(ns, 10억분의 1초)까지 지연됐고 그만큼 회전 스펙트럼의 정밀도가 높아졌다.

두 레이저 사이의 간격이 300나로초까지 늘어나면 전체 실험 시간이 길어진다. 1피코초마다 관측을 300나노초까지 반복해야 하기 때문이다. 연구진은 이 문제를 '간헐적 샘플링(sparse sampling)'이라는 기술로 해결했다. 간격마다 분자 상태를 측정하지 않고 전체 측정 영역중 극히 일부만 무작위로 선정해 관측한 것이다. 이 덕분에 전체 측정시간이 기존의 수십 분의 1로 줄었다.

이종찬 연구원은 "기존 방식으로는 하루 동안 16나노초의 스펙트럼을 얻을 수 있었는데, 간헐적 샘플링에 따라 300나노초로 늘었다"고 설명했다.

CRASY는 레이저 측정 만으로 분자의 여러 성질을 파악할 수 있는 유일의 기술이다. 슐츠 교수는 "이번에 개발된 향상된 CRASY는 기존에 분별이 어려웠던 불균일 시료나 동위원소도 한 번에 측정할 수 있다"며 "다양한 분자 구조를 빠르고 정확하게 파악할 수 있어 다양한 기존 분자과학에 기여할 것"이라고 했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업의 지원으로 진행됐으며, 연구 성과는 미국국립과학원회보(PNAS) 4월27일자 온라인판에 실렸다. 

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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