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빛을 받으면 형태를 바꾸는 분자 '아조벤젠'이 형태를 바꾸는 과정이 규명됐다.KAIST 제공

국내 연구팀이 빛을 받으면 1조분의 1초의 찰나의 시간 내에 분자 구조를 바꾸는 '아조벤젠'의 구조 변화 과정을 밝혔다.반세기 가까이 화학계의 수수께끼로 남았던 문제가 풀린 것이다.

KAIST는 이효철 화학과 교수팀이 기초과학연구원(IBS) 첨단반응동역학 연구단과 함께 아조벤젠의 구조 변화 과정을 규명했다고 1일 밝혔다.연구결과는 30일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 게재됐다.

아조벤젠은 두 개의 벤젠 고리가 가운데 질소 원자 두 개로 이뤄진 연결부에 붙어 있는 형태다.아령처럼 생긴 '트랜스-아조벤젠',가운데 봉 부분이 구부러진 '시스-아조벤젠' 두 형태를 취할 수 있다.트랜스-아조벤젠이 빛을 받으면 수 피코초(ps·1ps는 1조분의 1초) 내에 시스-아조벤젠으로 형태를 바꾼다.

빛에 의해 구조를 바꾸는 특성을 지닌 아조벤젠은 로봇 손,소프트 로봇 등 소재와 빛으로 약효를 조절하는 약물에 활용된다.

분자가 바뀌기 전후 모습을 아는 것만으로는 어떻게 움직였는지 알기 어렵다.두 고리가 크게 돌아가는지,와이즈토토일정가운데 연결부가 펴지는지,여러 부분이 함께 비틀리는지를 두고 의견이 엇갈렸다.움직이는 도중에 구조가 너무 빨리 사라져 확인하기 어려웠기 때문이다.

연구팀은 포항가속기연구소의 엑스선 자유전자레이저를 이용해 이 순간을 추적했다.메탄올 용액에 녹인 아조벤젠에 레이저를 쏘아 반응을 일으킨 뒤 초고속 엑스선으로 시간에 따라 달라지는 구조를 측정했다.

아조벤젠이 빛을 받아 형태를 바꾸는 과정.KAIST 제공

그 결과 아령의 봉과 무게추 사이의 접합부에 해당하는 탄소와 질소가 이어진 부분이 비틀어지고 이어 아령의 봉에 해당하는 가운데 질소 연결부가 비틀리면서 전체 분자가 구조가 변하는 순간을 관측하는 데 성공했다.트랜스-아조벤젠이 시스-아조벤젠으로 모양을 바꾸는 데는 불과 17.1피코초가 소요됐다.

이번 발견은 주변 액체가 끈적해져도 아조벤젠의 반응 속도가 크게 달라지지 않는 이유를 설명하는 데 도움이 된다.양쪽의 큰 고리를 돌려야 한다면 좁은 공간에서 큰 가구의 방향을 바꾸듯 주변 액체를 많이 밀어내야 한다.중심부가 주로 움직이면 그럴 필요가 줄어든다.

이효철 교수는 “이번 연구는 아조벤젠이 빛을 받은 뒤 어떤 경로로 모양을 바꾸는지 밝힌 성과”라며 “빠르게 반응하는 유기분자의 움직임을 관찰하는 방법을 발전시켜 다양한 광반응 분자의 작동 원리를 이해하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

<참고자료>
doi: 10.1038/s41586-026-11068-4