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이화학연구소(RIKEN) 개척연구본부 타하라(田原)분자 분광연구실 등의 연구그룹이 전형적인 광화학 반응 중 하나인 페놀의 광화학 반응을 물 표면에서 직접 관측하는 데 성공, 물 표면에서는 반응이 물속에서보다 1만 배 이상 빠르게 진행하는 것을 발견함.

연구진은 계면 선택적인(계면 영역의 화학 변화만을 관찰할 수 있음) 초고속 분광학 ‘자외선 여기 시간 분해 헤테로다인 검출 진동화 주파수 발생 분광법’을 이용하여 물의 표면에서 진행되는 반응을 100펨토초(10조분의 1초)의 시간 분해능으로 추적하는 데 성공함. 그 결과, 기본 분자인 페놀의 광화학 반응(광 산 해리 반응)이 물 표면의 경우 물속에서보다 1만 배 이상 빠르게 진행되는 것을 발견함.

페놀의 수중에서의 광화학 반응은 지금까지 연구되고 있으며, 자외선 흡수 후 약 5나노초(ns, 1ns는 10억분의 1초) 정도로 반응 생성물(페녹시라디칼)이 생성되는 것으로 알려져 있음. 이에 대해 물 표면에 흡착된 페놀에 자외선을 쬔 결과, 광 반응 생성물이 100fs(10조분의 1 초) 이내에 감지됨. 즉, 페놀 분자는 물 표면에서 물 속보다 50,000배나 빨리 반응하는 것이 확인됨. 이러한 극적인 반응 촉진 효과는 물 표면에 분자가 반만 녹아서 발생되는 것으로, 페놀뿐만 아니라 많은 유기 분자에 일어날 수 있는 일반성이 높은 현상이라 여겨짐.

본 연구는 물 표면의 화학 반응이 물속과 크게 다르다는 것을 직접적으로 명시하는 최초의 성과로, 환경 화학의 이해와 촉매 이용을 위한 계면 광화학 반응 메커니즘 규명 등 넓은 분야에 크게 공헌할 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Nature Chemistry(The photochemical reaction of phenol becomes ultrafast at the air-water interface)에 게재됨.