올해 노벨화학상 수상자인 미국 캘리포니아 과학기술연구소 아흐메드 즈웨일이 빠른 레이저기술을 이용해 화학반응이 일어나는 동안에 어떻게 분자내의 원자들이 움직이는가를 규명해내면서 펨토화학에 관심이 쏠리고 있다. 분자내 반응경로의 추적은 화학반응을 이해하고 예견할 수 있도록 해주었다는 의미에서 혁명적인 발견으로 평가된다.
특히 분자내 화학반응경로를 추적할 수 있도록 한 펨토화학(Femtochemistry)의 실현은 그동안 화학반응을 자세히 알고 싶어하는 화학자들의 열망을 충족시켜주고 있다.
노벨상 수상자인 즈웨일 교수는 화학반응이 일어나는 동안에 분자가 어떻게 끊어지고 다시 새로운 결합을 형성하는가를 분자들의 느린 움직임을 관측하는 방법으로 해결해왔는데 여기에는 펨토초(fs:10조분의 1초) 단위의 극히 짧은 순간을 포착할 수 있는 레이저기술이 응용됐다.
과학자들은 가스·액체·고체·분자표면, 중합체에서 펨토초 분광학을 이용해 화학반응의 과정을 연구하고 있으며 이 펨토초 분광학은 촉매반응과 분자의 전기적 성분이 어떻게 설계돼야 하는지와 생명과정에서의 반응 메커니즘, 의약품 생산 등에 조만간 기여하게 될 전망이다.
대부분의 화학반응은 온도가 높아지면 그 반응속도가 빨라진다. 즉 분자운동은 더욱 격렬히 일어나고 온도가 매우 높을 때에는 분자의 충돌이 격렬하기 때문에 다른 분자와 반응하고 새로운 분자들이 형성된다.
이때 분자내 원자들이 서로 당기는 힘은 지구로부터 달로켓을 쏘아올릴 때 중력을 이탈할 수 있는 힘과 맞먹는다는 것이 지금까지의 이론.
그러나 최근까지 분자들이 힘을 끊거나 결합하는 데 실제로 다른 물질로의 「전이상태」에서 어떻게 변하는가는 거의 알려진 바가 없었다.
노벨상 수상자인 즈웨일 교수는 지난 80년대 말 펨토화학이라고 부르는 새로운 연구영역을 개척하고 행동에 옮겼다. 분자내 원자들에게 한 진동을 발생시키기 위해 걸리는 시간은 전형적으로 10∼100fs라는 사실을 알아낸 그는 초단파레이저를 이용해 화학반응의 실제 경로에 있는 분자들을, 그리고 전이상태에 있는 분자들의 그림을 포착하는 데 성공했다.
이로써 화학반응 메커니즘의 수수께끼였던 중간단계를 밝혀내고 반응고리를 새롭게 정립하는 데 결정적인 역할을 했다.
정창훈기자 chjung@etnews.co.kr