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김동호 교수 연구팀
'시간 분해 순간 유도 라만 분광장치' 도입에 의한 동역학 구조 변화 메커니즘 규명 이과대학 화학과
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이과대학 화학과 김동호 교수 연구팀(제1저자 김우재 박사, 공동저자 김태연, 강성수, 홍용석 통합과정 학생)은 10 펨토초 미만의 초극단 레이저 펄스를 기반으로 시간 분해 순간 유도 라만 분광법(time-resolved impulsive stimualted Raman spectroscopy)을 구축하여 전자 주개-받개-주개의 형태 퍼릴렌 비스이마이드(perylene bisimide) 분자에서의 대칭 깨짐 전하 분리(symmetry breaking charge separation)현상에 수반되는 구조 변화 메커니즘을 규명하는데 성공했다. 본 연구는 그 중요성과 우수성을 인정받아 종합화학(multidisciplinary chemistry)분야의 세계적 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition, IF=12.257)에 4월 28일 자로 게재(DOI: 10.1002/anie.202002733)되었고 또한 표지논문(DOI: 10.1002/anie.202005696)으로 선정됐다.
분자에 빛을 조사하여 일어나는 광화학 및 광물리적 반응은 대부분 구조 변화를 동시에 수반하며, 이러한 동역학을 관찰할 수 있는 방법론 중 하나는 “시간 분해 라만 분광법”이다. 일반적으로 유기 분자들의 진동 운동은 100-3000 cm-1 영역에서 관찰되며 이를 주기로 변환하면 10-300 펨토초다. 따라서 광반응에 수반되는 분자 구조의 변화를 실시간으로 추적하기 위해서는 초극단의 펨토초의 시간 분해능을 확보하는 것이 필수적으로 요구된다. 이를 위해 김동호 교수 연구팀은 10 펨토초 미만의 레이저 펄스를 이용하여 분자들의 진동 파속(vibrational wavepacket)운동을 유발하고, 이 때 발생한 시간 영역의 진동 결맞음(vibrational coherence)신호를 푸리에 변환(Fourier transformation)하여 얻어낸 주파수 영역의 라만 스펙트라를 분석하여 들뜬 상태에 수반되는 구조 변화에 대한 정보를 얻어낼 수 있는 시간 분해 순간 유도 라만 분광 장치를 도입했다.
치환체가 없는 보통의 퍼릴렌 비스이마이드 분자의 경우 100%에 가까운 형광 양자 수율을 보이지만, 연구팀이 주목한 전자 주개-받개-주개 형태의 퍼릴렌 비스이마이드(전자 주개 – 트라이도데실페닐 치환기, 전자 받개 – 퍼릴렌 비스이마이드)는 0.63%의 매우 낮은 형광을 발하는 특성을 나타냈다. 이러한 현상은 시간 분해 전자 분광법을 통해 측정한 결과 전자 주개에서 받개로의 전하 분리 현상으로 인한 것이라 유추할 수 있었지만, 이 과정에 구조 변화가 동시에 수반되는 지는 전혀 알 수 없었다. 연구팀은 시간 분해 순간 유도 라만 분광 장치를 이용하여 측정한 라만 스펙트라의 변화를 시간 의존 밀도 함수 이론을 통해 얻어낸 구조 최적화 계산 데이터와 비교해본 결과, 두 개의 전자 주개 중 하나만 뒤틀리는 구조적 대칭 깨짐를 통해 전하 분리 현상이 발현될 수 있다는 것을 규명했다. 지금까지의 선행 연구들은 대칭 깨짐 전하 분리 현상의 주요 원인을 이중극(dipolar) 용매의 용매화(solvation) 현상으로 꼽은 데 반해, 연구팀은 구조 변화 또한 전하 분리 현상의 중요한 전제조건이 될 수 있음을 제시했다. 결과적으로, 본 연구는 시간 분해 순간 유도 라만 분광법이 광유발 전하 이동 및 분리 반응에서 발생하는 구조적 변화를 높은 시간 분해능 및 민감도로 관찰할 수 있는 최적의 분광 장치임을 증명했다.
* 출처 : 연세소식 627호
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