기초과학연, 이온의 숨겨진 변신과정 관찰 성공

다이브로모프로판 분자에 대한 메가전자볼트 초고속 전자 회절 실험 구성도. (IBS 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 이온의 숨겨진 변신 과정을 관찰하는 데 성공했다.

기초과학연구원(IBS)은 첨단 반응동역학 연구단 이효철 단장 연구팀이 기체 상태의 이온이 탄생하고 변화하는 과정을 실시간으로 관찰했다고 11일 밝혔다.

또 관찰에서 이온이 구조적 암흑 상태 등 기존에 알려지지 않았던 단계들을 거쳐 생성물을 형성한다는 것을 알아냈다.

이온은 실생활에서 우주까지 곳곳에서 중요한 역할을 한다. 스마트폰의 리튬이온배터리부터 우리가 섭취한 음식이 흡수돼 에너지를 내는 것과 태양으로부터 오는 빛과 에너지 등이 모두 이온 활동의 결과물이다.

연구진은 ‘메가전자볼트 초고속전자회절' 장비를 활용하고, 특정 이온을 실험에서 관측할 정도로 대량 생성하기 위해 ‘공명 증강 다광자 이온화 기법을 적용했다.

이 과정에서 중성 상태의 분자와는 다른 이온의 독특한 거동도 포착했다.

특히 양이온이 생성된 후 아무런 구조변화가 일어나지 않는 ‘구조적 암흑 상태에 머무르는 현상을 최초로 발견했다.

구조적 암흑 상태는 약 3.6피코초(1조분의 1초) 동안 지속됐다.

허준 초빙연구위원(제1 저자)은 “이번 연구는 분자 이온의 구조적 동역학을 실시간으로 추적한 최초의 연구라는 의미가 있다”며 “기체 이온에 대한 이해를 확장한 만큼 화학 반응 메커니즘, 물질의 특성 변화 및 우주 화학과 같은 다양한 분야에서 새로운 통찰력을 제공할 것으로 기대된다”고 말했다.

김도영 학생연구원(제1 저자)은 “이온은 반응성이 높아 오랜 시간 존재하지 않고 한 종류만 선택적으로 합성하기도 어려워 구조변화를 실시간 관측하기 어려웠다”며 “생성된 기체 이온이 바로 구조변화를 나타내는 것이 아니라 특정한 형태를 유지하다가 급격한 변화를 보인다는 것을 알아냈다”고 했다.

이효철 IBS 첨단 반응동역학 연구단장. /뉴스1

이효철 단장(교신저자)은 “이번 연구는 흔하지만 밝혀지지 않았던 이온의 감춰진 비밀을 한 꺼풀 벗겨낸 것”이라며 “과학기술이 눈부시게 발전했으나 아직도 우리가 모르는, 그리고 과학자들이 풀어내야 할 물질세계의 경이로운 비밀은 많다”고 말했다.

이번 연구 결과는 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처’ 온라인에 이날 게재됐다.

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