VOL.23/NO.3/Autumn 2016 뜸 (pump)- 탐색 (probe) 방법을이용한다. 연구대상인분자 시스템에레이저펄스 ( 들뜸 ) 를사용하여화학및생물학적 과정을시작시키면극초단시간스케일에서다양한전자구 조의변화와함께분자구조변화가일어난다. 이러한변화 들을직접적으로

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화주 오
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X- 선자유전자레이저를이용한펨토초화학반응동역학연구 김태규 ( 부산대학교 ) 김정호 ( 인하대학교 ) 1. 서언다양한분자복합체가태양광을흡수하고저장하는과정, 단백질과흡착분자가관여되는생명현상, 광촉매의작동하는과정등우리가일상에서마주치게되는많은현상들은분자가외부자극으로전하가이동되고분자구조가변하는일련의화학반응과정들을포함하고있다.

1 X- 선자유전자레이저를이용한펨토초화학반응동역학연구 김태규 ( 부산대학교 ) 김정호 ( 인하대학교 ) 1. 서언다양한분자복합체가태양광을흡수하고저장하는과정, 단백질과흡착분자가관여되는생명현상, 광촉매의작동하는과정등우리가일상에서마주치게되는많은현상들은분자가외부자극으로전하가이동되고분자구조가변하는일련의화학반응과정들을포함하고있다. 다양한화학반응과정을분자의구조변화와이와관여되는원자오비탈의상호작용및원자수준의전하분포변화로자세히이해하는것, 즉빠른시간안에일어나는화학반응메커니즘을규명하는일은다양한자연현상에대한근본적인이해를가능하게하며이를바탕으로한새로운기능성소재개발및성능을개선하는데결정적인단서를제공한다. 이와같은기체, 표면, 응축상에서일어나는다양한화학반응들에대한반응동역학연구는 1990년대초펨토초타이타늄사파이어 (Ti:Sapphire) 레이저가개발되면서비약적으로발전하였다. 펨토초타이타늄사파이어레이저는높은에너지의안정된펨토초펄스를쉽게제공하였으며다양한분자시스템의시간분해분광학연구가수행되었다. 그러나자외선에서가시광선영역의분광학적신호는양자역학적계산및이론에의해서만구조정보로변화될수있고스핀및원자선택적인전자분포를직접적으로제공하지못하기때문에일반적인광학펄스를이용한분광법에의한반응동역학연구는한계를가지고있다. 이러한제한점을극복하기위해서짧은시간폭을가지는 X-선펄스를광학펄스대신사용하여빠른시간에변하는분자구조변화및이와수반된전자분포를관찰하고측정하는연구가진행되고있다. 이연구는최근급속하게발전한짧은시간폭을가지는극초단 X-선펄스생성기 술과밀접한관련이있다. X- 선자유전자레이저 (X-ray Free Electron Laser: XFEL) 에서생성되는높은광도의 펨토초 X- 선펄스는화학반응동역학연구에새로운장을 열었다. 펨토초 X- 선펄스의활용은기존의 3 세대방사광 가속기를바탕으로개발된시간분해 X- 선기법들인시간 분해 X- 선회절과시간분해 X- 선분광법의시간분해능 을약 200 펨토초수준으로향상시켜초고속으로일어나 는용액상 / 고체상화학반응에관여하는분자구조의변화 를실시간으로측정할수있게되었으며, 높은광자밀도 를제공하여기존의 3 세대방사광가속기에서는불가능했 던다양한실험방법들이최근에구현되었다. 본총설에서 는최근에발표된 X- 선펄스를이용한다양한관련실험 방법과 X- 선자유전자레이저를활용한다양한화학반응 동역학연구를소개하고자한다. 2. X- 선자유전자레이저를이용한펨토초 X- 선실험방법 X- 선자유전자레이저에서의화학반응동역학규명을 위한펨토초 X- 선실험은기본적으로 [ 그림 1] 과같이들 그림 1. 상호보완적인다양한펨토초 X- 선실험방법. 입사되는레이저펄스가분자시스템에반응을시작시키고특정시간에서의 X- 선펄스가관련분자구조및전자구조를실시간으로모니터링한다. 12 방사광과학과기술

VOL.23/NO.3/Autumn 2016 뜸 (pump)- 탐색 (probe) 방법을이용한다. 연구대상인분자 시스템에레이저펄스 ( 들뜸 ) 를사용하여화학및생물학적 과정을시작시키면극초단시간스케일에서다양한전자구 조의변화와함께분자구조변화가일어난다. 이러한변화 들을직접적으로검출하기위해서 X- 선펄스를반응이일 어나는분자시스템에보내게된다.

2 VOL.23/NO.3/Autumn 2016 뜸 (pump)- 탐색 (probe) 방법을이용한다. 연구대상인분자 시스템에레이저펄스 ( 들뜸 ) 를사용하여화학및생물학적 과정을시작시키면극초단시간스케일에서다양한전자구 조의변화와함께분자구조변화가일어난다. 이러한변화 들을직접적으로검출하기위해서 X- 선펄스를반응이일 어나는분자시스템에보내게된다. 반응을시작시킨레이 저펄스와 X- 선펄스사이의지연시간 (time-delay) 을바꾸 어주면서 X- 선검출신호를얻게되면그신호는각시점 에서의분자구조및전자구조등에대한정보를담고있어 실시간으로관련변화들을규명할수있다. X- 선검출방법 에따라서펨토초 X- 선실험방법은시간분해 X- 선회절 (time-resolved X-ray diffraction(or scattering)) 또는시간 분해 X- 선분광법 (time-resolved X-ray spectroscopy) 등 으로나눌수있다. 시간분해 X- 선회절은시간에따른 X- 선회절의결 과로얻어진회절무늬로부터분자의 3 차원구조를직접 적으로밝혀낼수있으므로, 반응하는분자의실시간구 조변화를직접적으로밝혀내는데이용할수있다. 반면 에시간분해 X- 선분광은시간에따른시료의 X- 선흡수 (X-ray absorption) 또는방출 (X-ray emission) 스펙트럼 을측정하는방법이다. X- 선흡수는일반적으로 X- 선을 흡수하는원자주변의분자구조와전자구조정보를제공 하고 X- 선방출은원자의스핀등을규명하는데이용할 그림 2. 상호보완적인펨토초 X- 선실험들을이용하여도출한 Ru- Co 이금속콤플렉스에서일어나는전하이동에대한구조동역학결과. [Canto et al., Nat. Commun. 2015, 6, 6359] 수있다. 이와같은다양한형태의시간분해 X-선측정방법을동시에사용하면화학반응동역학에필수적인상호보완적인정보를한번에측정할수있다. 이러한상호보완적인펨토초 X-선방법들을동시에측정한연구결과가 [ 그림 2] 에나타나있다. 덴마크의 Nielsen 교수연구팀이주도한이연구결과에서는일본 Spring 8 연구소의 X-선자유전자레이저인 SACLA를이용하여시간분해 X-선회절 ( 산란 ) 과시간분해 X-선방출분광법을동시에활용해서용액중에존재하는 Ru-Co 이금속콤플렉스에서일어나는극초단전하이동동역학을연구하였다. Co의 2p-1s 전자전이에기반한 Kα 1 시간분해 X-선방출분광법을이용하여 Ru에서 Co로전하가이동될때의스핀전자상태변화동역학 (1.9 피코초 ) 을관측하였으며시간분해 X-선산란신호를이용하여전하이동이일어날때의 Ru-Co 이금속콤플렉스의구조변화와함께용매분자의구조변화과정도규명하였다. 본연구결과는극초단동역학규명에중요한서로다른정보를선택적으로제공하는상호보완적인펨토초 X-선실험방법들을동시에이용하여화학반응에서일어나는분자의물리적구조와함께전자구조변화정보를도출할수있는방법을제시하고있다. 3. 펨토초 X-선회절 ( 산란 ) 펨토초 X-선회절 ( 산란 ) 은 X-선펄스에의한회절의결과로얻어진회절무늬로분자의 3차원구조를직접적으로규명할수있다. X-선자유전자레이저에서들뜸-탐색방법을이용하여펨토초 X-선회절 ( 산란 ) 을이용하여반응하는분자의실시간구조변화를직접적으로관측할수있다. 화학반응의과정을실시간으로추적하기위하여가장많이사용되어온기존의시간분해분광법들은상대적으로분자구조에둔감하다는단점을가지고있는데, 이러한분광학의단점은전체적분자구조 (global molecular structure) 에민감한시간분해 X-선회절을이용하여보완할수있다. 화학반응동역학연구에주로사용되는펨토초 X-선회절실험방법은시료의상태에따라서시간 13

분해 X-선산란 (time-resolved X-ray scattering) 또는시간분해 X-선결정학 (time-resolved X-ray crystallography) 으로분류할수있다. 3.1 펨토초 X-선용액산란시간분해 X-선산란은용액 ( 액체 ) 및기체상시료들의구조변화관측에이용될수있다.

3 분해 X-선산란 (time-resolved X-ray scattering) 또는시간분해 X-선결정학 (time-resolved X-ray crystallography) 으로분류할수있다. 3.1 펨토초 X-선용액산란시간분해 X-선산란은용액 ( 액체 ) 및기체상시료들의구조변화관측에이용될수있다. 많은화학반응들이용액상에서일어나기때문에용액상분자구조를직접적으로관측할수있는시간분해 X-선용액산란은 X-선자유전자레이저의화학분야연구들의활용에가장적합하다고할수있다. 본실험방법의문제를용액상에서임의의배향을가진분자들로부터나오는산란무늬에서는원자들의배향에관한정보가평균되어묻혀버리기때문에이로부터분자의 3차원구조를직접적으로밝혀내는것은불가능하고이론적분석의도움을얻어야만분자의구조를알아낼수있다는점이다. 따라서시간분해 X-선결정학과비교하여시간분해 X-선용액산란은비교적낮은공간분해능을가진다는단점이있다. 그러나용액상화학반응동역학에서매우중요한용질분자의구조변화뿐만아니라용질분자의구조변화에의한용매분자의구조변화를동시에측정할수있다는장점이있다. X-선 자유전자레이저에서의시간분해 X-선산란실험은다른방법들과같이시간분해능 (time-resolution) 을펨토초수준 ( 약 200펨토초 ) 로향상시킬수있다. 이는기존의 3세대방사광가속기에서수행된 100 피코초수준의시간분해능에비교하면 500배이상향상된수준이다. 그러나 X-선자유전자레이저에서발진되는펨토초 X-선펄스자체의시간및공간지터링 (time and spatial jittering) 때문에실험적구현에는많은어려움이있었다. 최근에이러한실험상의제약을극복하고시간분해 X-선산란을이용하여펨토초시간스케일에서일어나는극초단광화학반응들의진행사항및메커니즘규명이가능해졌다. 대표적인연구결과로용액상펨토초 X-선산란을이용하여이효철교수연구팀은금착화합물삼중합체에서공유결합이형성되는과정을규명하는데성공하였다. [ 그림 3] 에나타난연구결과에서는펨토초용액산란실험을통하여 3개의금원자들간에새로운공유결합이형성되는과정을실시간으로관측하였는데, 결합형성의반응동역학뿐만아니라결합이형성되는과정에서금원자들사이의거리와결합각변화까지상세하게밝혀냈다. 이연구는시간분해 X-선용액산란실험의시간분해능을펨토초영역으로확장했다는방법론적중요성뿐만아니라일반적으로 그림 3. SACLA 의펨토초용액산란을이용하여밝혀낸화학결합형성과정의구조동역학. [Kim et al., Nature 2015, 518, ] 14 방사광과학과기술

4 VOL.23/NO.3/Autumn 2016 시간분해기법을이용하여관측하기어려운결합생성의과정을실시간으로관측했다는점에서화학적으로큰의미가있다. 최근에발표된연구결과들은펨토초용액산란방법을단백질용액의구조동역학연구에적용할수있다는것을보여준다. 시간분해 X-선용액산란을수용액상의단백질시료에적용할경우광각산란영역의산란무늬를분석하여단백질의전체적인구조 (conformation) 의변화를측정할수있다. 이러한방법론을시간분해광각 X-선산란 (Time-resolved wide angle X-ray scattering) 이라부른다. Uppsala University의 Neutze 교수연구팀은시간분해 X-선용액산란을이용하여광합성반응중심 (reaction center) 단백질의초고속구조전이동역학을규명하였다. [D. Arnlund et al., Nat. Methods 2014, 11, ] 이연구는펨토초시간분해능으로단백질구조전이의초기단계동역학을관찰한최초의연구라는점 에서그의미를찾을수있다. 비슷한방법론을이용하여 University of Rennes의 Cammarata 박사및 KAIST의이효철교수연구팀은마이오글로빈단백질의구조전이동역학을관찰하였다. [M. Levantino et al., Nat. Commun. 2015, 6, 6772] 3.2 펨토초 X-선결정학시간분해 X-선결정학은구성원자 ( 또는분자 ) 들이규칙적으로배열된고체상 / 결정상시료의구조변화관측에활용된다. 시간분해 X-선결정학은다양한 X-선기반의시간분해기법들중에서가장높은공간분해능을갖추고있기때문에 1990년대이후로고체결정화합물과단결정형태단백질의구조전이동역학을연구하는데사용하는주요기법으로자리잡았다. 하지만막단백질이나근본적으로무질서도가높은단백질들의경우에는단결정시료를얻기어려워서시간분해 X-선결정학을적 그림 4. ( 왼쪽 ) 광합성반응중심의시간분해 X- 선용액산란신호와구조전이중간체들의동역학. ( 오른쪽 ) 시간분해 X- 선용액산란신호의구조분석을통하여얻은수피코초시간대에서형성된중간체 (C2) 의구조. [Arnlund et al., Nat. Methods 2014, 11, ] 15

용할수없다는한계가있다. 하지만비교적작은크기의단백질결정인마이크로결정 (microcrystal) 을만드는것은상대적으로수월하다. X-선자유전자레이저에서생성된 X-선펄스는높은광도를자랑하기때문에단하나의 X-선펄스로도이처럼작은마이크로결정으로부터충분히높은세기의회절무늬를얻는것이가능하다.

5 용할수없다는한계가있다. 하지만비교적작은크기의단백질결정인마이크로결정 (microcrystal) 을만드는것은상대적으로수월하다. X-선자유전자레이저에서생성된 X-선펄스는높은광도를자랑하기때문에단하나의 X-선펄스로도이처럼작은마이크로결정으로부터충분히높은세기의회절무늬를얻는것이가능하다. 또한 X-선펄스는펨토초수준의초극단시간길이를가지고있으므로단백질결정이 X-선에의해파괴되기이전에회절이일어난다. 이러한장점을바탕으로작은크기의단백질결정을연속적으로흘려주면서레이저펄스로구조전이를시작시키고 X-선단일펄스 (single pulse) 로각결정의회절무늬를측정하는펨토초순차결정학 (femtosecond serial crystallography) 이개발되었다. 2014년 University of Wisconsin의 Marius Schmidt 연구팀은시간분해순차결정학을이용하여광활성황단백질 (photoactive yellow protein) 의반응중간체의고분해능구조를밝혀내었다. [Tenboer et al., Science 2014, 346, ] 이연구는 X-선자유전자레이저의높 은광도와짧은펄스길이를바탕으로결정화가쉬운마이크로결정을이용하여시간분해순차결정학실험을수행하여반응중간체단백질의구조를고분해능으로밝혀낼수있다는것을보여줌으로써기존시간분해 X-선결정학의한계인단백질단결정제작의난제를풀었다. 또한 X-선자유전자레이저에서생성되는 X-선펄스가펨토초길이를가진다는것을고려할때기본적으로시간분해순차결정학의시간분해능은펨토초수준까지확장가능할것으로전망된다. 2014년 Arizona State University의 Petra Fromme 연구팀은시간분해순차결정학을이용하여광합성을관장하는거대한막단백질복합체인 photosystem II의구조전이중간체의고분해능구조를규명하였다. [Kupitz, et al., Nature, 2014, 513, ] 이연구는시간분해순차결정학을이용하여결정화가어려운막단백질 (membrane protein) 의구조전이중에생성되는중간체의구조를고분해능으로밝혀낼수있다는것을입증하였다. 한편아직까지분자결정에대하여 X-선자유전자레이저에서펨토 그림 5. ( 위 ) 시간분해순차결정학의실험셋업. ( 아래 ) 레이저펄스가입사하기이전 ( 왼쪽 ) 과이후 ( 오른쪽 ) 의 Photosystem II 의전자밀도지도. [Kupitz et al., Nature, 2014, 513, ] 16 방사광과학과기술

6 VOL.23/NO.3/Autumn 2016 초 X-선회절을이용하여수행한연구결과는발표된적이없다. 하지만최근초고속전자회절을이용하여분자결정의절연체-금속상전이 (insulator-to-metal phase transition) 에수반되는구조전이동역학을연구한선행연구들이발표되었다는점을고려할때연구자들이화학적 / 생물학적으로의미있는분자결정연구에많은관심을가지고있고조만간분자결정에대한 XFEL 활용연구결과도발표될것으로예상된다. 3.3 펨토초 X-선기체회절 2015년 Brown University의 Weber 교수연구팀은 [ 그림 6] 에나타낸것처럼 SLAC 연구소의 X-선자유전자레이저 LCLS에서펨토초 X-선산란을이용하여기체상태 1,3-cyclohexadiene (CHD) 분자의고리-열림반응 (ring-opening reaction) 의동역학을규명하는데성공하였다. [Minitti et al., Phys. Rev. Lett. 2015, 14, ] 이연구에서는광분해에의하여기체상 CHD 분자가선형분자인 1,3,5-hexatriene (HT) 로변화하는과정의초기단계를실시간으로관찰하였다. 이전까지는산란강도가큰초고속전자회절 (ultrafast electron diffraction) 을활용하여기체상반응동역학을관측할수있었던반면이 연구에서는 X-선자유전자레이저의높은광도를이용하여시간분해 X-선산란으로기체상반응을최초로관측하였다는점에서방법론적으로큰의미가있다. 4. 펨토초 X-선분광법시간분해 X-선분광법은기존의시간분해분광법의단점을보완하고새로운동역학적정보를제공할수있다. 구체적으로기존의들뜸-탐색 (pump-probe) 방법에서프로브펄스로 X-선펄스를사용하고시간차이에의한 X-선흡수, X-선방출, 공명비탄성 X-선산란분광법의신호를측정하면관측되는신호의종류에따라서실시간으로변하는분자의전자구조변화및관련원자의전자구조사이의상호작용에대한정보를얻을수있다. 또한사용되는 X-선분광신호의종류에따라서화학반응동역학연구에필수적인상호보완적인정보를원자선택적으로제공하기때문에에너지전달및저장분자소재의극초단반응동역학연구에매우적합한실험방법이다. 현재 3세대방사광가속기및 X-선자유전자레이저에서주로사용되는시간분해 X-선분광법은크게 (1) 시간분해 X-선흡수분광법 (time-resolved X-ray absorption spectroscopy: TR-XAS) 과 (2) 시간분해 X-선방출분광법용액 (time- 그림 6. LCLS 에서시간분해산란을이용하여밝혀낸 1,3-cyclohexadiene 의고리열림반응의구조동역학. [Minitti et al., Phys. Rev. Lett. 2015, 14, ] 17

7 resolved X-ray emission spectroscopy: TR-XES) 과 (3) 시간분해공명비탄성 X-선산란 (time-resolved resonant inelastic X-ray scattering: TR-RIXS) 로나눌수있다. 4.1 펨토초 X-선흡수분광법시간분해 X-선흡수분광법은샘플의핵심부전자레벨과 lowest unoccupied molecular orbital(lumo) 사이의 X-선전이에의한신호를측정하는것으로 EXAFS (extended X-ray absorption fine structure) 및 XANES (X-ray absorption near edge structure) 구간들의시간분해-신호를분석하여구조적변화 (structural information) 뿐아니라분자구조변화에필수적으로수반되는전자구조변화 (electronic structure) 정보등을제공한다. X-선자유전자레이저를사용하여 2013년 University of Rennes 의 Cammarata 박사연구팀은 LCLS의 XPP 빔라인에서 Fe K-edge의펨토초 X-선흡수분광실험을통하여 [Fe(bpy) 2+ 3 ] 화합물의스핀이교차되는과정을관찰하였다. [Lemke et al., J. Phys. Chem. A 2013, 177, ] [Fe(bpy) 2+ 3 ] 화합물은다양한에너지저장및전환 소재에서일어나는스핀교차현상을관찰할수있는대표적인모델시스템이다. 이연구는처음으로 X-선자유전자레이저에서시간분해 X-선흡수분광실험을구현하였다는것에서큰의미를가진다. 후속으로이루어진시간분해 X-선방출결과와는다르게이논문에서는저스핀-고스핀의전이가 160 펨토초의시간스케일에서직접적으로일어난다고제시하였다. 또한이연구팀은최근에 [ 그림 7] 에나타난것처럼펨토초 X-선흡수분광법의실험상의정밀도를높여단백질용액의구조동역학연구에대한적용도가능하다는것을보여주었다. [Levantino et al., Struct. Dyn. 2015, 2, ] 위의결과들은 X-선자유레이저를이용한펨토초 X-선흡수분광방법론구현이라는의미를가지지만여전히많은문제들을가지고있다. 시간분해 X-선흡수분광에사용되는 X-선에너지를 XANES 및 EXAFS 를포함하는넓은범위에서바꾸는것이매우어렵기때문에향후 X-선자유전자레이저에서의펨토초 X-선흡수분광법의적용은 XANES 영역에서큰신호를주는분자선택이매우중요할것으로생각된다. 그러나 그림 7. LCLS 에서시간분해 X- 선흡수분광법을이용한단백질구조동역학. [Levantino et al., Struct. Dyn. 2015, 2, ] 18 방사광과학과기술

8 VOL.23/NO.3/Autumn 2016 최근에 SACLA 에서진행된 WO3 나노파티클용액에대 한펨토초 X- 선흡수분광결과는비교적넓은범위의 X- 선흡수분광신호를측정하는것이가능하다는것 이보여주었다. [Uemura et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, ] 4.2 펨토초 X- 선방출분광법 시간분해 X- 선방출분광법은이온화에너지이상의 X- 선을조사할때방출되는에너지에대한 X- 선신호 를측정하여 highest occupied molecular orbital(homo) 의전자구조및스핀상태에대한정보를제공한다. 특히 X- 선자유전자레이저에서의실험은시간분해 X- 선흡수 분광법에비해서상대적으로실험적으로구현이용이한 시간분해 X- 선 X- 선방출분광법을이용하여다양한에 너지전달및저장분자소재의극초단동역학이연구되 었다 년 Lawrence Berkeley National Laboratory 의 Yachandra 연구팀은 LCLS XFEL 에서 Mn K-edge 에서의 펨토초 X- 선방출분광법을이용하여 photosystem II 의 그림 8. LCLS 에서수행된시간분해 X- 선방출분광법을이용한 Mn 2CaO 5 클러스터전자구조변화. [Kern et al., Nature Comm. 2014, 5, 4371] 핵심분자유닛인 Mn 2 CaO 5 클러스터의전자전달동역학을관측하였다. [Kern et al., Nature Comm. 2014, 5, 4371] 이연구에서는자연광합성에서가장중요한초기빛흡수및전달과정중의 Mn 2 CaO 5 클러스터의 Mn 산화수변화를펨토초 X-선방출분광법으로관찰하였다. 본연구는시간분해순차결정학과함께시간분해 X-선방출을이용하여실시간으로변하는에너지전달분자시스템의전자구조변화를관측할수있다는방법론을제시하였다는큰의미가있다. 동일연구팀에의해서연 X-선영역인 Mn L-edge에서의펨토초 X-선방출스펙트럼측정이가능하다는것도제시되었다. [Mitzner et al., J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 3641] 연X-선영역에서의실험은다양한촉매및기능성분자에필수적으로존재하는 3d 전이금속의전자구조를직접적으로제공할수있어서매우중요한연구접근방법이다. 4.3 펨토초공명비탄성 X-선산란분광법시간분해공명비탄성 X-선산란분광법은 X-선을흡수하는특정원자의핵심부전자레벨에서 HOMO 로의 X-선전이에따른 LUMO 전자레벨에서일어나는에너지전이를측정함으로서대상반응이일어날때관련되는프론티어오비탈사이의상호작용을측정함으로서관련오비탈의전자구조에대한정보를직접적으로제공하는장점이있다. 그러나 X-선에너지를변화시키면서 X-선방출스펙트럼을측정해야함으로실험적으로구현이매우어렵다는단점이있다. 2015년 Helmholtz-Zentrum Berlin의 Wernet 연구팀은 LCLS SXR 빔라인에서연 X-선영역의 (Fe L-edge) 시간분해공명비탄성산란분광법을이용하여광촉매로작용하는 Fe-전이금속 (Fe(CO) 5 ) 착물의반응중간체의오비탈전자구조-대칭성-반응성에대한상관관계를규명하였다. [Wernet et al., Nature 2015, 520, 78-81] 이연구는 X-선자유전자레이저의높은광도를이용하여용액상펨토초공명비탄성 X-선산란분광법을수행하여 19

그림 9. LCLS SXR 빔라인에서수행된시간분해공명비탄성산란분광법을이용한 Fe(CO) 5 분자의오비탈 - 반응성상관관계. [Wernet et al., Nature 2015, 520, 78-81] 반응중간체의전자구조와오비탈상관관계를밝혀낼수 있다는것을보여줌으로써기존의 3 세대방사광가속기 에서불가능하였던실험상의어려움을극복하였다.

한편분자구조의변화뿐만아니라전자구조의변화까지함께관측할수있는시간분해 X-선분광법을 X-선자유전자레이저의극초단 X-선펄스와접목시킴으로써초고속으로일어나는전하이동의동역학을실시간으로관측할수있게되었고, 이는통상적으로전하이동을수반하는에너지관련신소재의특성분석및응용에큰도움이될것으로기대된다.

포항가속기연구소에건설을완료한 PAL X-선자유전자레이저는 2017년에다양한빔라인과실험장치셋업을완료하고이용자들에게공개될예정이다. 이번총설을계기로국내에서펨토초 X-선펄스를이용한화학반응동역학연구에많은연구자들이관심을가질수있기를기대한다. 5.

9 그림 9. LCLS SXR 빔라인에서수행된시간분해공명비탄성산란분광법을이용한 Fe(CO) 5 분자의오비탈 - 반응성상관관계. [Wernet et al., Nature 2015, 520, 78-81] 반응중간체의전자구조와오비탈상관관계를밝혀낼수 있다는것을보여줌으로써기존의 3 세대방사광가속기 에서불가능하였던실험상의어려움을극복하였다. 법이개발되어기존시간분해 X-선결정학의치명적한계였던커다란단백질결정제작의난관을극복하였다. 한편분자구조의변화뿐만아니라전자구조의변화까지함께관측할수있는시간분해 X-선분광법을 X-선자유전자레이저의극초단 X-선펄스와접목시킴으로써초고속으로일어나는전하이동의동역학을실시간으로관측할수있게되었고, 이는통상적으로전하이동을수반하는에너지관련신소재의특성분석및응용에큰도움이될것으로기대된다. X-선자유전자레이저는화학반응동역학연구의수준을한단계끌어올리는강력한물리화학적도구로자리잡을것이다. 이제시작단계에불과한 X-선자유전자레이저를이용한화학반응동역학연구는가까운미래에더욱활성화될것으로전망되고화학반응에대한깊은이해를가져다줄것으로기대된다. 포항가속기연구소에건설을완료한 PAL X-선자유전자레이저는 2017년에다양한빔라인과실험장치셋업을완료하고이용자들에게공개될예정이다. 이번총설을계기로국내에서펨토초 X-선펄스를이용한화학반응동역학연구에많은연구자들이관심을가질수있기를기대한다. 5. 맺음말펨토초 X-선펄스의활용은기존의 3세대방사광가속기를바탕으로개발된시간분해 X-선기법들인시간분해 X-선회절과시간분해 X-선분광법의시간분해능을약 200 펨토초수준으로향상시켜초고속으로일어나는용액상 / 고체상화학반응에관여하는분자구조의변화를실시간으로측정할수있게되었으며, 기존의 3세대방사광가속기에서는불가능했던기체상분자반응의구조동역학연구가 XFEL의고-광도 X-선펄스덕분에가능해졌다. 또한, 높은광도의펨토초 X-선펄스를십분활용하여작은크기의단백질마이크로결정으로부터단백질의구조변화를측정할수있는시간분해순차결정학기 저자약력 김태규교수는 2004 년 KAIST 에서물리화 학으로박사학위를받고 2007 년부터부 산대학교화학과에재직중이다. 현재관심 연구분야는 X- 선분광기술을활용한에 너지분자소재연구이다. tkkim@pusan.ac.kr 김정호교수는 2004 년시카고대학에서물 리화학으로박사학위를받고 2012 년부터인 하대학교화학과에재직중이다. 현재관심 연구분야는 X- 선회절및극초단시간분해 분광학을이용한분자구조동역학연구이다. jkim5@inha.ac.kr 20 방사광과학과기술

12-17 총설.qxp

12-17 총설.qxp 우수선도연구기관 최고 수준의 분광기 활용 분자의 3차원 구조 동역학 연구 부산대학교 분자구조동역학 연구단 센터장 임만호 단장(부산대학교 화학과 교수) 주소 부산광역시 금정구 부산대학로63번길 2(장전동) 부산대학교 화학관 403호 전화 051)510-2243 이메일 mhlim@pusan.ac.kr 홈페이지 http://chemlab.pusan.ac.kr/femto