지난 2015년부터 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 “분자에서의 방향성 역전현상”을 연구하면서 네이처 자매지, 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society) 그리고 앙게반테 케미 (Angewandte Chemie International Edition) 등 세계적 유수 학술지에 다수의 논문을 게재하는 우수한 성과를 올리고 있는 화학과 연구팀 (연세대학교 화학과 김동호 교수와 성영모 박사 연구팀) 이 다시 한번 학계의 주목을 받고 있다. 본 연구팀은 이전의 연구들을 기반으로 세계 유수의 연구단 (일본 동경대학교 (University of Tokyo) 타쿠조 아이다 (Takuzo Aida) 교수팀, 스웨덴 웁살라대학교 (Uppsala University) 헨릭 오토슨 (Henrik Ottosson) 교수팀)과 함께 공동연구를 진행하여, 들뜬 상태의 방향성 변화 정도에 따라 광학 이성질체화 속도를 조절할 수 있다는 것을 밝혔고, 이 연구는 세계 저명 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 2017년도 8월호에 실렸다. 본 연구는 들뜬 상태의 방향성 역전현상을 광화학 반응의 메커니즘 규명에 적용한 첫 사례라는 점이 주목할 점이다.

이번 연구에서는 8개와 12개 파이전자를 갖는 고리형 공액 화합물 (cyclic conjugated compounds) 을 이용해서 이 분자들이 빛의 유무에 따라 광학 이성질체화 (화합물의 구조가 변경되어 서로 다른 광학 이성질체로 변하는 것) 속도가 차이 나는 현상을 들뜬 상태의 방향성 역전 현상을 이용해 설명하였다. 우선 연구팀은 8개의 파이전자를 갖는 대상 분자가 빛이 있을 때는 이성질체화 반응이 빠르게 일어나고, 빛이 없을 때는 이 반응이 매우 느리게 일어나는 점을 발견하였다. 빛의 유무에 따라 발생하는 이러한 차이는 단순히 반응속도론 (reaction kinetics) 으로 설명이 불가능하였다. 이에 연구팀은 이성질체화 중간에 생기는 전이구조 (transition state) 에 주목하였는데, 방향성 역전현상에 따라 빛이 없을 때는 전이구조체가 반방향성을 가지며, 빛을 쬐어 주었을 때는 분자가 들뜬 상태로 올라가 이 상태의 전이구조가 방향성을 나타내는 것을 계산 및 실험을 통해 확인하였다. 다시 말해, 전이구조에서의 방향성과 반방향성은 분자의 에너지와 이성질체화 속도를 예측할 수 있게 해주었다. 즉, 빛이 없을 때 분자는 반방향성 상태를 나타내게 되며, 이 상태에서는 전이구조의 에너지가 높아서 이성질체화가 느리게 일어나지만 빛이 있을 때는 전이상태 분자가 방향성을 나타내 에너지가 낮아지기 때문에 이성질체화가 쉽게 일어난다는 것이다. 이는 다양한 양자화학계산과 분광학 실험을 통해서 연구팀에 의해 밝혀졌고, 결과적으로 고리형 공액 분자의 빛에 따른 특이 이성질체화 속도 변화를 설명할 수 있었다.

이 연구의 우수성은 이전 연구들은 들뜬 상태에서 방향성 역전현상을 실험적인 방법으로 관측만 했지만, 본 연구에서는 이러한 현상을 활용해 빛을 이용한 구조변화를 예측하고 조절한 것이다. 향후 이러한 연구 결과를 토대로 들뜬 상태에서의 반응물 안정성 예측을 통한 광 선택적 합성법 제안 등과 같은 후속 연구가 가능할 것이라고 기대하고 있다.

연구팀은 파이전자 구조체 중 광전자 소자로써 이용가치가 큰 다양한 파이전자 분자체들을 합성하고, 이들의 물리화학적 특성을 시분해 분광학 기법으로 심도있게 분석한 연구로 이 분야를 선도하고 있으며, 이러한 연구는 태양광 에너지 변환, 광 동역학 치료, 디스플레이 등의 분야에서 다양한 기술 개발 가능성을 보여줄 것으로 예상한다.