Update : 2019.7.15 월 23:40
시작페이지로 설정즐겨찾기 추가
> 뉴스 > 학술·연구
     
원뿔형 교차점에서의 비단열 반응 메커니즘과 물리적 특성 밝혀내
피코초 시간 분해능 분광법으로 원뿔형 교차점 분석함으로써 보른-오펜하이머 근사가 성립하지 않는 경우의 반응 처음으로 설명
[443호] 2018년 02월 13일 (화) 정지호 기자 mkll321@kaist.ac.kr
화학과 김상규 교수 연구팀이 들뜬 화학물질의 광분해* 반응에서 두 개의 서로 다른 반응 경로가 교차하는 지점에서의 반응 메커니즘과 물리적 특성을 관측하는 데 성공했다. 이번 연구는 지난해 11월 7일 자 <미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)> 온라인판에 게재됐다.
 
전자에 집중한 보른-오펜하이머 근사
화학 반응의 메커니즘을 기술할 때 보른-오펜하이머 근사(Born-Oppenheimer Approximation)는 기본적인 개념으로 사용된다. 보른-오펜하이머 근사에서는 원자핵과 전자의 움직임을 시간에 따라 분리할 수 있다는 가정이 전제된다. 원자핵의 움직임보다 전자의 운동이 매우 빨라, 화학 반응의 핵간 재배치는 순간적으로 결정되는 전자적 에너지에 의해 조절된다고 볼 수 있는 것이 보른-오펜하이머 근사의 핵심이다. 
 
기존 방법으론 비단열 반응 기술 못해
주로 전자가 바닥 상태에서 일어나는, 보른-오펜하이머 근사가 잘 적용되는 반응을 단열 반응(Adiabatic Reaction)이라 하고, 반대로 보른-오펜하이머 근사가 성립되지 않는 경우를 비단열 반응(Nonadiabatic Reaction)이라고 한다. 예를 들어,  전자가 들뜬 상태에서 일어나는 반응은 에너지 준위의 중첩으로 인해 보른-오펜하이머 근사가 성립하지 않아 비단열 반응의 확률이 증가한다. 특히, 자연계에서 일어나는 많은 반응이 태양광의 광자에 의해 전자가 흥분된 상태에서 이루어지므로 보른-오펜하이머 근사로 반응을 기술하는 것은 불가능하다고 볼 수 있다.
 
반응 확률을 결정하는 원뿔형 교차점
이번 연구가 주목한 것은 원뿔형 교차점(Conical Intersection)이다. 전자가 들뜬 상태에서는 서로 다른 전자의 위치에너지 곡면이 특정 분자 구조에서 교차할 수 있게 되고, 이 다차원적 지점을 원뿔형 교차점이라고 한다. 많은 연구가 원뿔형 교차점이 단열 반응과 비단열 반응의 확률적 운명을 결정하는 경계점이라 예측했다. 하지만 이전 연구들은 교차점에 의한 전체적인 반응 형태를 밝혀냈을 뿐, 각 반응 경로의 속도나 에너지를 구체적으로 측정하지는 못했다.
 
피코초 단위로 비단열 반응 분석해
이번 연구는 피코초 시간 분해능 분광법(Picosecond Pump-Probe Method)을 이용해 기존에 관측하지 못했던 단열 반응과 비단열 반응의 시간적 분리에 성공하였다. 연구팀은 지난 2010년에 진행된 선행 연구를 통해 티오아니솔**(Thioanisole) 광분해 과정에서 원뿔형 교차점의 분자구조를 밝힌 바 있다. 이번 연구에 새롭게 사용된 피코초 시간 분해능 분광법은 피코초 수준의 짧은 레이저로 표적 물질을 들뜨게 하고 반응 시간에 따른 생성물의 에너지 및 수율을 자세히 측정하는 실험방법이다.
 
연구팀은 시간에 따른 반응물의 운동 에너지를 조사했다. 그 결과, 높은 에너지를 갖는 생성물은 반응 속도가 빠른 비단열 반응을 통해 만들어지는 반면 상대적으로 낮은 에너지를 갖는 생성물은 반응 속도가 느린 단열 반응을 통해 진행되는 것을 알 았다. 교차점에서 반응물이 가지는 비단열 반응 확률도 크게 다른 양상을 보이는 것으로 밝혀졌다. 이전까지는 보른-오펜하이머 근사를 사용할 수 없는 영역에서 반응속도를 계산하는 이론적 연구가 비단열 반응기작에 대한 자세한 이해 없이 수행됐다. 연구팀은 보른-오펜하이머 근사로 설명할 수 없는 반응 지점의 메커니즘을 최초로 밝힐 수 있었다. 또한, 이번 연구는 비단열 반응의 이론적 실험적 연구의 시초가 되었다는 데에 학문적 의의가 있다.
 
김 교수는 “이번 연구가 앞으로 있을 관련 연구에 밑거름이 될 수 있을 것으로 기대한다”며, “새로이 알게 된 개념을 통해 원뿔형 교차점에서 경로를 결정하는 요인을 좀 더 자세히 알아내 들뜬 상태 반응을 제어하는 연구방법을 개발할 계획이다”라고 추후 연구 계획을 밝혔다.
 
광분해*
화합물이 광자에 의해 분해되는 화학 반응을 가르키는 말. 한 개 이상의 광자가 한 개의 분자와 반응할 때 정의된다.
티오아니솔**
화학식은 C7H8S. 다른 말로 황화메틸페닐이라고도 한다.
정지호 기자의 다른기사 보기  
ⓒ 카이스트신문(http://times.kaist.ac.kr) 무단전재 및 재배포금지 | 저작권문의  

     
전체기사의견(0)  
 
※ 자동등록방지용 코드를 입력하세요!   
   * 200자까지 쓰실 수 있습니다. (현재 0 byte/최대 400byte)
   * 욕설등 인신공격성 글은 삭제 합니다. [운영원칙]
전체기사의견(0)
신문사소개기사제보불편신고개인정보취급방침이메일무단수집거부
대전 유성구 대학로 291 KAIST 교양분관 1층 카이스트신문사 | Tel 042-350-2243
발행인 신성철 | 주간 박현석 | 편집장 곽지호
Copyright 2010-2019 카이스트신문. All rights reserved. mail to kaisttimes@gmail.com