특히 이효철 그룹리더는 이번 연구를 계기로 화학반응의 시작과 끝을 밝혀내는 세계 유일한 과학자가 됐다. 지난 2005년 분자결합이 끊어지는 과정을 밝히고 사이언스誌에 논문(극초단 엑스선 회절법을 이용한 용액상 순간적인 분자 구조의 관측)을 게재했던 이후 10년 만에 분자 결합이 이뤄지는 과정까지 관측함으로써 화학반응의 시작과 끝을 밝혀내는 쾌거를 이루게 했다.

연구진은 화학결합의 순간포착을 위해 평소 가까운 곳에 흩어져 있다가 레이저를 쏘아주면 반응해 화학적으로 결합하는 성질이 있는 금 삼합체(gold trimer)를 실험모델로 삼았다.

화학결합이 이뤄지는 1조분의 1초 찰나를 관측하기 위해 펨토초(1천조분의 1초) 엑스선 펄스라는 특수 광원을 이용, 광반응에 따른 금 삼합체 원자의 구조 변화를 엑스선 회절 이미지로 구현해 냈다.

연구진은 모든 화학반응의 근본이 되는 원자간 결합을 관측하기 위해 특수한 광원과 화합물을 이용했다. 레이저 기술과 엑스선 회절법 기술을 결합한 펨토초 엑스선 회절법을 적용했다.

펨토초 엑스선 회절법을 이용하면 빠른 분자의 움직임을 정확한 위치 정보와 함께 측정할 수 있고, 연구진은 이 방법을 이용해 금 삼합체 내부의 금 원자들 사이에서 화학결합이 형성되는 순간을 실시간으로 관측할 수 있었다.

원자의 지름은 1옹스트롬(1억분의 1cm)이고 화학결합의 순간은 1조분의 1초 정도여서 원자를 감지하려면 빛의 파장이 원자 수준으로 짧아야 한다. 빛의 시간 길이는 원자 간 결합 순간보다 짧아야 하는데 이를 만족하는 광원이 엑스선 자유전자 레이저에서 얻어지는 펨토초 엑스선 펄스이다.

이효철 그룹리더는 "펨토초 엑스선 회절법을 통해 화학결합의 관측 외에도 펨토초 시간대의 분자의 진동, 회전 등을 관측할 수 있을 것"이라며 "이번 연구 과정에서 축적한 기술과 경험을 바탕으로 국내 연구진이 세계 과학계의 흐름을 주도해 나아가기를 바란다"고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 세계적 과학저널 네이처(Nature, IF 42.351)誌 2월 18일자에 게재됐다. '펨토초 엑스선 회절법을 이용한 용액상 화학결합 형성의 관측'(Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering)이라는 제목의 논문 공동 제1저자는 김경환 IBS 나노물질 및 화학 반응 연구단 연구원과 김종구 KAIST 화학과 박사과정생이며, 이효철 그룹리더가 교신저자다.