- 나노초 레이저 활용해 기존에 관측 불가능했던 이성질체 검출 성공

‘The Journal of Physical Chemistry Letters’ 표지 논문 선정

▲(왼쪽부터) 논문이 게재된 표지와 국립순천대 문철주 교수, 경상국립대 민아름 교수, 경상국립대 최명룡 교수

국립순천대학교(총장 이병운) 화학교육과 문철주 교수는 경상국립대학교 화학과 민아름 교수, 최명룡 교수(광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터장)와 함께, 여기 상태 수명이 극히 짧아 기존 방법으로는 관측이 어려웠던 분자 이성질체를 나노초 레이저로 검출할 수 있는 새로운 분광 기법을 제시했다. 해당 연구 성과는 물리화학 분야의 세계적 권위 학술지인 The Journal of Physical Chemistry Letters 표지 논문으로 선정됐다.

분자의 세계에는 빛을 흡수한 직후 거의 즉시 에너지를 잃거나 구조가 변화해 실험적으로 관측하기 어려운 구조들이 존재한다. 일부 분자 이성질체는 여기 상태 수명이 매우 짧아, 분자가 일정 시간 동안 여기 상태를 유지해야 신호를 검출할 수 있는 기존 레이저 분광 기법으로는 신호를 얻기 어려웠다.

이를 보완하기 위해 초단 펄스 레이저를 활용하는 방법이 시도돼 왔으나, 분자의 여기 상태 수명이 레이저 펄스보다 더 짧은 경우에는 여전히 신호 검출이 어렵고, 설령 검출이 가능하더라도 짧은 펄스로 인해 스펙트럼 폭이 넓어져 분자의 미세한 구조 차이를 구분하는 데 필요한 분해능이 크게 저하되는 한계가 있었다.

연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 레이저를 더 빠르게 만드는 대신, 분자의 상태를 적외선으로 먼저 변화시킨 뒤 기존의 나노초 레이저로 이를 검출하는 새로운 접근법을 제안했다. 적외선 여기를 통해 분자 내부에 에너지를 전달함으로써, 기존에는 관측이 불가능했던 이성질체를 보다 관측 가능한 구조로 전환하고, 그에 따라 증가하는 신호를 통해 검출이 가능해진 것이다.

실제로 연구진은 일상에서 널리 사용되는 진통제 성분과 구조적으로 유사한 분자들을 대상으로 실험을 수행했으며, 그 결과 기존 실험에서는 관측되지 않던 새로운 신호를 확인했다. 이는 여기 상태 수명이 짧아 검출되지 못했던 분자 구조가 간접적으로 드러났음을 의미한다.

이번 연구는 기존 분광 기법이 지닌 높은 분해능을 유지하면서도, 지금까지 실험적으로 접근이 어려웠던 여기 상태 수명이 빠른 이성질체를 분석할 수 있는 새로운 실험 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 보이지 않던 분자 구조를 관측 가능한 대상으로 확장함으로써, 기체상 분광학의 적용 범위를 넓혔다는 평가를 받고 있다.

한편, 이번 연구는 교육부 기초과학연구역량강화사업 재원으로 한국기초과학지원연구원(KBSI) 국가연구시설장비진흥센터(NFEC)의 지원을 받아 수행됐다.