수소 원자, 어디에 있는지 정확하게 찾을 수 있다

2017년 01월 15일 19:00

[표지로 읽는 과학: 사이언스]

 

이번 주 ‘사이언스’의 표지는 수산화코발트인산알루미늄의 분자 그림이 차지했다. 자체발광하는 것 같은 ‘흰색 구’가 이 그림의 주인공. 그동안 정확한 위치를 찾아내기 힘들었던 수소 원자를 표현해낸 것이다.

 

Science 제공
Science 제공

 

체코과학학술원의 루카스 팔라티누스 박사가 이끄는 체코, 프랑스 국제 연구팀은 나노미터 단위의 작은 분자에서 수소 원자의 위치를 찾아내는 새로운 방법을 과학전문학술지 ‘사이언스’ 1월 13일자에 발표했다.

 

물질은 원자들이 다양한 방법으로 서로 연결된 분자로 이루어진다. 따라서 물질의 특징을 파악하기 위해서는 분자 구조를 아는 것이 필수다. 눈에 보이지 않는 작은 분자를 보기 위해서 과학자들은 여러 방법을 동원해왔다. 대표적인 방법이 X선 회절 결정구조 분석법이다.

 

분자를 결정으로 만든 뒤, X선으로 촬영하면 분자의 위치에 따라 회절 무늬(빛의 파동성에 의해 생기는 현상으로 파동이 겹쳐 어둡거나 밝은 무늬가 생긴다)가 생긴다. 이 무늬를 수학적으로 거꾸로 추적해 분자의 모형을 재구성하는 방식이다. X선 회절 결정구조 분석법은 그동안 수많은 업적을 남겼는데, 대표적인 예가 DNA의 이중나선 구조를 밝혀낸 일이다.

 

다만 이 X선 회절 결정구조 분석법도 약점이 있다. 에너지가 강한 X선을 투과했을 때 분자와 분자를 이루는 원자들이 크게 흔들리지 않고 구조를 유지해야 하기에 상대적으로 크기가 작은 분자는 분석 하기가 어려웠다. 분자를 이루는 원자의 질량이 가벼울 때도 마찬가지다.

 

수소는 원자 번호 1번으로 세상에서 가장 가벼운 원자다. 1개의 전자와 1개의 원자핵으로 이루어져 있으며, 그 원자핵마저도 양성자 1개로 이루어져 있다. 따라서 수소가 포함된 분자를 X선 회절 결정 구조 분석법으로 촬영하면 수소의 위치가 정확하게 나오지 않는 경우가 많았다.

 

팔라티누스 연구팀이 사이언스에 발표한 논문은 수소의 위치를 결정하는 새로운 수학적인 방법이다. 연구팀은 이 방법을 PEDT(세차 전자회절 단층 결정 구조 분석법, Precession Electron Diffraction Tomograpy)라고 불렀다.

 

(그 과정은 연구팀이 개발한 프로그램이 할테지만) 구조 분석할 분자를 여러 층에 걸쳐 나눠서 촬영한 뒤, 수소 원자가 있을 위치를 확률적으로 표시하고, 확률이 가장 높은 곳에 수소 원자를 위치하는 방식이다. 표지 이미지에서 수소 원자가 마치 후광을 내는 것처럼 표현한 이유도 바로 여기에 있다. 후광으로 보이는 것이 사실은 수소 원자가 있을 수도 있는 위치인 것이다.

 

 

연구팀은 PEDT가 유기물과 무기물 모두에 사용할 수 있다는 것을 실험적으로 보였다. 표지로 선정된 수산화코발트인산알루미늄(무기물)은 이외에도 진통제 성분으로 널리 알려진 아세트아미노펜(=타이레놀) 분자에서의 수소 위치를 정확하게 찾아냈다.

  

체코과학학술원이 팔라티누스 연구팀의 연구를 홈페이지 메인에 소개하고 있다.  - The Czech Academy of Sciences(http://www.avcr.cz) 제공
체코과학학술원이 팔라티누스 연구팀의 연구를 홈페이지 메인에 소개하고 있다.  - The Czech Academy of Sciences(http://www.avcr.cz) 제공

체코과학학술원은 “결정 구조 분석이 어려웠던 나노미터 단위의 분자 구조를 정확하게 알 수 있는 기술을 찾아냈다”며 “지금까지 과학 발전에 있어 결정 구조학이 미쳤던 영향력을 생각하면 앞으로 활용한 가능성이 큰 기술”이라고 주장했다.

 
※ 관련 논문

L. Palatinus et al. (2017), Hydrogen positions in single nano ocrystals revealed by electron diffraction, Science, 355(6321), 166-169.
☞ DOI: 10.1126/science.aak9652

 

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