나노기술 및 정책 정보

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양자과학기술연구개발기구(QST) 양자빔과학부문 간사이광과학연구소, 나고야(名古屋)대학 물질과학국제연구센터 및 동대학 대학원 이학연구과, 캐나다 Institut national de la recherche scientifique 등의 국제 공동 연구그룹이 분자 내부를 배회하는 수소 원자의 모습을 직접 포착, 화학 반응의 새로운 루트로 주목 받고 있는‘로밍(roaming) 과정’을 시각화하는 데 세계 최초로 성공함. 일반적으로 화학반응은 반응물과 생성물 사이의 에너지 장벽을 초과하여 진행되며, 포름알데히드 분자(H2CO)를 대상으로 장벽이 가장 낮은 루트를 통하지 않는 새로운 반응 루트의 존재가 2004년 예측되었음. 이 반응은 포름알데히드 분자를 수소 원자(H)가 배회하고 다른 수소 원자와 결합함으로써, 최종적으로 수소 분자(H2)와 일산화탄소 분자(CO)로 분리됨. 수소 원자가 분자 내부를 돌아다니는 모습을‘로밍 과정’이라 하는데 지금까지의 화학 반응과는 다른 특징을 갖는 새로운 분자 내 반응으로 주목받고 있음. INRS-ÉMT와 나고야대학에서 펨토초 레이저를 이용하여 포름알데히드 분자의 해리 반응의 시간 분해 계측을 실시, 로밍 과정을 가시화하는 데 세계 최초로 성공함. QST 등이 공동으로 실시한 양자 역학에 근거한 이론 계산과 비교·검증함으로써 로밍 과정으로부터 유래하는 것을 확인했으며, 또한 로밍 과정의 전 단계로서 일어나는 탈 여기(励起) 과정이 기존에 예측된 시간의 10만분의 1이라는 극히 짧은 시간에 진행되는 것을 발견함. 본 성과는 화학 반응을 분자 형태의 변화와 전자의 운동 에너지의 변화를 통해 관측함으로써 지금까지 숨겨져 있던 화학 반응의 세부 사항을 규명한 것임. 향후, 본 연구 성과를 바탕으로 로밍 과정의 전모가 규명됨으로써 연소 반응 중의 화학성분 예측 정확도 향상 및 기존의 상식에 얽매이지 않는 화학이 실현될 것으로 기대됨. 예를 들어, 이산화탄소로부터 산소가 직접 생성하는 해리 반응에 대한 탐구가 진행됨으로써 화성과 금성 등 이산화탄소가 풍부한 환경에서의 산소 생성 방법 등 새로운 화학 반응이 개척될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Science’ (“Capturing roaming molecular fragments in real time View ORCID ProfileTomoyuki E”) 지에 게재됨.