IntroDUCtION

화학 반응에 대한 이해는 반응에 개입하는 반응물, 중간체, 그리고 생성물의 구조와 성질을 이해하는 것, 그리고 그 들 사이의 동역학을 파악하는 것을 의미합니다. 이러한 화학 반응에 대한 이해를 통해 궁극적으로는 원하는 특정 경로를 통해서 반응이 일어나도록, 그리고 보다 반응 수율을 높일 수 있도록 반응 조건을 조절할 수 있을 것이라 기대할 수 있으며, 이는 화학이라는 학문의 궁극적인 목표 중 하나입니다. 이러한 화학 반응의 연구에 있어 가장 어려운 장애물로 작용하는 것이 바로 “반응 중간체의 연구”입니다. 이러한 짧은 수명을 지니는 화합물의 구조와 화학적 성질을 파악하는 것은 화학 반응의 연구에서 특히 도전적인 분야라 할 수 있습니다. 

우리 연구실은 이와 같은 반응 중간체의 성질을 규명하는 연구에 큰 노력과 관심을 기울이고 있습니다. 특히 반응 중간체의 분자 구조와 반응의 동역학을 동시에 연구하는 “구조 동역학 (structural dynamics)” 분야의 연구에 있어 괄목할 만한 성과를 이루어 왔다고 자부합니다. 용액 상 시간 분해 엑스선 회절 기법, 초고속 전자 회절, 시간 분해 엑스선 결정학, 그리고 시간 분해 분광학 등 다양한 기법들을 활용하여 화학 반응에 수반되는 반응 중간체를 포착하고 그 성질을 규명하고 있습니다.

특히 용액 상 시간 분해 엑스선 회절 기법에 있어 우리 연구실은 해당 연구분야를 세계적으로 선도해나가고 있습니다. 그 대표적인 성과가 다음과 같습니다. 우리 연구실은 용액상 분자의 구조변화를 실시간으로 관측하기 위한 첫 발걸음으로 녹아 있는 간단한 유기분자의 구조변화를 실시간 측정하는데 세계 최초로 성공하였으며, 이를 세계적인 과학저널인 Science誌에 발표하였습니다 (2005년). 이 결과는 용액상에서 분자의 움직임을 실시간 추적할 수 있다는 점 때문에 많은 관심을 불러 일으켰습니다. 그리고 10 년이 지나 또 한 번의 괄목할 만한 성과를 거두는데 성공하였습니다. 이번에는 화학결합이 형성되는 과정에서의 분자구조동역학을 관측하는데 성공하여, 이 성과를 Nature誌에 발표하였습니다 (2015년). 두 개의 분자가 만나 결합이 생성되는 “이분자 반응”을 포착하고, 이 과정을 관찰하는데 성공했다는 점이 학술적으로 큰 반향을 일으켰습니다. 최근에는 분자 내 화학결합이 형성될 때에 분자를 이루는 원자들의 모든 움직임을 다 파악하는 소위 화학계의 홀리 그래일(Holy Grail)을 해결하여 이 성과를 Nature誌에 발표하였습니다 (2020년). 화학에서 가장 중요한 근본적인 현상 중 하나인 “화학 결합이 형성되는 과정”을 실시간으로 관측하여 이를 규명하는데 성공했다는 점에서 주목할 만한 성과라 할 수 있습니다.

이러한 성과들이 보여주는 바와 같이, 최근 운영되기 시작한 엑스선 자유전자레이저를 활용하여 반응의 중간체 뿐 만 아니라, 화학 반응이 시작하여 중간체가 형성되기까지의 굉장히 짧은 순간조차 포착하는 것이 가능해졌습니다. 이를 기반으로 우리 연구실은 용액 상에서 일어나는 화학 반응의 그 시작으로부터 반응 중간체, 그리고 생성물의 형성까지 이어지는 모든 순간들을 마치 동영상처럼 기록함으로써 그 메커니즘을 직관적으로 이해하고자 합니다.