"반세기 만에 '비밀의 문' 열었다"…빛 반응 '분자 스위치' 원리 규명

대전=정일웅 기자

입력 2026.10.01 00:01

"아조벤젠이 모양을 바꾸는 원리는 무엇인가?"

수많은 연구자가 몰두해도 반세기 동안 열지 못했던 비밀의 문이 열렸다. 짧은 시간 존재하는 두 중간체의 구조를 원자 수준에서 포착하고, 이를 연결해 반응 과정을 '분자 동영상'으로 재구성한 것이 문을 여는 열쇠가 됐다.

'아조벤젠'은 빛에 반응하는 대표적인 '분자 스위치'다. 이번 발견은 빛으로 움직이는 소재와 초소형 분자 기계를 설계하는 데 새로운 단서를 제공할 것으로 기대된다.

AI 생성 이미지. KAIST

KAIST는 화학과 이효철 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS) 첨단 반응동역학 연구단과 공동으로 '아조벤젠'의 구조 변화 과정을 규명했다고 1일 밝혔다.

아조벤젠은 두 개의 벤젠 고리 사이를 두 개의 질소 원자가 이어주는 구조로 돼 있다. 빛을 받으면 서로 반대 방향을 향하던 두 고리가 같은 방향을 향하는 형태로 바뀔 수 있다. 원자는 그대로지만 놓인 자리는 달라지는 것이다.

그간에는 이런 성질을 이용해 약물의 활성을 빛으로 조절하거나, 빛에 반응하는 소재와 분자 기계를 만드는 연구가 진행됐다.

다만 분자가 바뀌기 전과 후의 형태를 알고 있는 것만으로 변화 과정(움직임)까지 알 수는 없었다. 형태가 바뀌는 도중에 구조가 너무 빨리 사라져 형태가 바뀌는 원리를 확인하기 어려웠기 때문이다. 같은 이유로 두 고리가 얼마나 움직이는지, 가운데 연결부가 펴지는지 여부 그리고 여러 부분이 함께 비틀리는지 등을 두고 연구자들 사이에서 의견이 분분했다.

공동연구팀은 이런 의문을 풀기 위해 포항가속기연구소의 엑스선 자유전자레이저로 분자가 바뀌는 과정을 추적했다. 메탄올 용액에 녹인 아조벤젠에 레이저를 쏘아 반응을 일으킨 후 초고속 엑스선으로 시간 흐름에 따라 달라지는 구조를 측정한 것이다.

측정 과정에서 공동연구팀은 소음이 많은 공간에서 작은 목소리를 가려내듯 분자에서 나오는 신호를 분리하고, 순간마다 얻은 측정 결과를 토대로 분자의 움직임을 영상으로 재구성했다.

이 결과 아조벤젠은 양쪽의 벤젠 고리가 동시에 회전해 구조를 바꾸지 않는 것으로 관찰됐다. 또 탄소와 질소가 이어진 부분이 먼저 비틀어지고, 가운데 질소 연결부의 양쪽이 자전거 페달처럼 서로 맞물려 움직이면서 전체 구조가 바뀌는 것을 확인했다.

(앞줄) 이효철 교수, (뒷줄 왼쪽부터) 김중민 박사후연구원, 알레코스 세갈리나(Alekos Segalina) 선임연구원, 기호성 연구위원. KAIST

공동연구팀은 이번 발견이 주변 액체의 점성이 높아지더라도 반응 속도가 크게 달라지지 않는 이유를 설명하는 데 단서가 될 것으로 내다봤다. 양쪽의 큰 고리를 돌려야 한다면 좁은 공간에서 큰 가구의 방향을 바꾸듯 주변 액체를 많이 밀어내야 하지만, 중심부가 주로 움직인다면 주변 액체를 밀어내는 부담이 줄어들기 때문이다.

이 교수는 "이번 연구는 분자가 실제 움직이는 경로를 규명해 빛에 반응하는 소재와 분자 기계를 설계할 때 참고할 수 있는 기초자료를 제공한다는 점에서 의미를 갖는다"며 "향후 공동연구팀은 빠르게 반응하는 유기 분자의 움직임을 관찰하는 방법을 고도화해 다양한 광 반응 분자의 작동 원리를 이해하는 데 기여할 것"이라고 말했다.