[Feb 18, 2015] 송창용 교수 연구실 - Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering
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[Feb 18, 2015] 송창용 교수 연구실 - Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering
KAIST화학과 이효철 교수 (IBS나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더) 연구팀, 일본 이화학 연구소 (RIKEN SPring-8 Center) 및 고에너지 연구소 (KEK) 연구원과 포스텍 물리학과 송창용 교수가 함께 진행한 연구가 2015년 2월 19일자 ‘네이쳐 (Nature)’ 저널에 발표 되었다. 본 연구는 4세대 엑스선 레이져에서 발생된 극초단파를 이용, 분자(Au trimer)의 결합과정을 수백펨토초 시간분해능으로 직접 밝혀낸 의의를 가진다. 공동연구팀은 지난 수년간 일본의 SPring-8 Angstrom Compact free electron Laser (SACLA)를 이용하여 실험을 진행했다. 그 결실로 작은 분자의 빠른 움직임을 원자 스케일에서 규명할 수 있는 방법을 세계 최초로 선보이게 된 것이다. 본 연구는 광범위한 응용성을 가지고 있어, 단백질과 같은 거대분자의 움직임을 분석하는 연구에도 활용 될 계획이다. 현재 건설중인 포항의 4세대 엑스선 광원 (PAL-XFEL)에 힘입어 계속해서 국제적 선도연구를 이끌것으로 기대 된다.
The making and breaking of atomic bonds are essential processes in chemical reactions. Although the ultrafast dynamics of bond break- ing have been studied intensively using time-resolved techniques, it is very difficult to study the structural dynamics of bond making, mainly because of its bimolecular nature. It is especially difficult to initiate and follow diffusion-limited bond formation in solution with ultrahigh time resolution. Here we use femtosecond time-resolved X-ray solution scattering to visualize the formation of a gold trimer complex, [Au(CN)2–]3 in real time without the limitation imposed by slow diffusion. This photoexcited gold trimer, which has weakly bound gold atoms in the ground state, undergoes a sequence of structural changes, and our experiments probe the dynamics of indi- vidual reaction steps, including covalent bond formation, the bent- to-linear transition, bond contraction and tetramer formation with a time resolution of 500 femtoseconds. We also determined the three-dimensional structures of reaction intermediates with sub- a ̊ngstro ̈m spatial resolution. This work demonstrates that it is pos- sible to track in detail and in real time the structural changes that occur during a chemical reaction in solution using X-ray free-electron lasers and advanced analysis of time-resolved solution scattering data.