대전의 한국과학기술원(KAIST)와 기초과학연구원(IBS)은 빛에 반응하는 분자 스위치 ‘아조벤젠’의 구조 변화 메커니즘을 세계 최고 수준으로 밝혔다. 이 연구 결과는 국제적 학술지 네이처(Nature)에 게재되어 과학계에 큰 반향을 일으켰다. 이번 발견은 50년간 난제였던 분자의 구조 변화과정을 명확하게 하고, 빛에 반응하는 소재와 초소형 분자기계 설계에 새로운 통찰을 제공한다.

아조벤젠은 두 개의 벤젠 고리가 질소 원자 두 개로 연결된 구조를 가지며, 빛을 받으면 ‘트랜스’ 형태에서 ‘시스’ 형태로 변화한다. 이러한 광이성질체화 과정은 분자의 원자 종류와 개수는 유지하면서 연결 방식이나 공간 배치가 달라지는 특별한 형태의 변화를 말한다. 이러한 성질을 활용하여 약물의 빛으로 조절 가능한 활성 개발이나 광응답 소재, 분자기계 연구가 진행되고 있었다.

그러나 이 과정에서 중간에 나타나는 구조와 변화 방식은 애매모호한 부분이 많았다. 두 벤젠 고리의 회전 여부, 연결된 질소 원자의 가능한 비틀림 등에 대해 여러 가설들이 제시되었다. 하지만 이러한 중간 구조는 매우 단기적으로 존재하며, 직접 관찰하기가 극도로 어려웠다.

이번 연구에서 KAIST의 화학과 이효철 교수와 IBS는 포항 가속기 연구소 X선 자유전자 레이저(PAL-XFEL)를 사용한 시간분해 X선 액체 그래피(TRXL) 기술을 도입하여 이러한 복잡한 과정을 명확히 하였다. 메탄올 용액 속 아조벤젠의 구조 변화를 추적하며, 용매에서 발생하는 강력한 신호들로 인해 미세한 아조벤젠 신호가 가려졌을 때도 분리하여 3차원 구조를 원자 수준으로 연구할 수 있었다.

결과적으로, 아조벤젠은 양쪽 벤젠 고리를 크게 회전시키는 방식으로 모양을 변화시키지 않았음이 밝혀졌다. 대신 탄소-질소 결합부가 비틀리고, 질소-질소 연결부를 중심으로 회전하는 과정을 거쳐 반전 운동이 일어났음을 확인할 수 있었다. 특히 이러한 변화는 양쪽의 벤젠 고리가 거의 자리를 유지하면서 질소 연결부가 ‘자전거 페달’처럼 맞물려 움직이는 협동 운동으로 설명될 수 있었다.

이 과정에서 아조벤젠은 주변 용매를 밀어내며 움직이는 공간의 부피가 벤젠 고리를 크게 회전시키는 경우보다 약 80% 줄어드는 것을 관찰하였다. 이러한 발견은 아조벤젠의 반응 속도가 용매의 점성에 크게 영향받지 않음을 의미한다.

이번 연구는 분자가 실제로 어떻게 움직이는지를 명확히 하여 빛에 반응하는 소재와 분자 기계 설계 시 참고할 수 있는 중요한 자료를 제공한다. 이효철 교수는 “아조벤젠이 빛을 받은 후 어떻게 변화하는지에 대해 명확하게 밝혀냈으며, 다양한 광반응 분자의 작동 원리를 이해하는 데 기여할 것”이라고 말했다. 연구는 김중민과 기호성 연구원을 공동 제1저자로 하여 네이처(Nature)에 게재되었으며, 이들의 고도의 실험적 방법론과 분석은 빛으로 움직이는 분자 연구의 새로운 지평을 열어줄 것이다.