우리의 일상을 살아가는 대기 중에는 우리 눈에 미처 보이지 않는 수많은 용매방울 들이 존재합니다. 이러한 용매방울(solvent droplet)들은 아주 작은 부피 안에 분자를 가두어 둔 채 화학반응을 진행시킬 수 있는 매우 작은 화학반응용기로 작동할 수 있습니다. 이러한 용매방울의 직경이 마이크로미터 수준보다 더 작은 수십 나노미터 수준으로 작아지게 되면 분자들이 매우 좁은 공간에 갖히게 되고 용액과 기체의 계면과의 상호작용이 매우 커지게 되면서 일반적인 벌크 용액에서와는 다른 형태로 화학반응이 일어나거나 독특한 분자응집현상이 발생하는 등의 아주 특이적인 분자거동이 발생할 수 있습니다.

하지만 이러한 나노크기 용매방울(solvent nanodroplet) 내에서 어떤 화학반응이 어떠한 원리로 일어나는지에 대해서는 연구가 거의 이루어지지 않았습니다. 이는 나노크기 용매방울의 크기를 직접 측정하여 성질을 연구하기가 매우 어렵고, 기체상에서 넓게 분산된 용매방울로부터 광학적 실험 데이터를 얻기가 어려울 뿐 아니라, 용매방울 자체가 매우 다이나믹하게 변화하며 화학반응을 유도하기 때문에 측정이 매우 어렵기 때문입니다.

본 연구에서는 이러한 나노크기 용매방울을 체계적으로 생성하고, 이 내부에서 일어나는 특이적인 화학반응 및 분자응집현상을 세계 최초로 최첨단 4세대 방사광 가속기인 X-ray 자유전자레이저 (XFEL)를 활용하여 직접 측정하는 연구기법을 확립할 것입니다. 이를 통해 벌크용액에서와는 다르게 진행되는 분자거동의 원리를 밝히는 매우 도전적인 연구를 수행할 계획입니다.

전자분무이온화, X-ray 흡광 및 산란법 및 이온이동도-질량분석을 이용한 나노크기 용매방울 내 분자거동 연구방법

이러한 연구는 향후 대기중에 떠다니는 수많은 극소부피 용매방울 내에서 일어나는 다양한 대기화학반응들, 특히 대기오염물질의 응집현상의 원리 규명과 같은 미지의 연구분야에 확장해서 활용될 수 있을 것이며, 벌크용액에서는 진행되지 않는 화학반응을 진행되도록 조절하거나, 새로운 화학반응 및 분자거동을 발굴하는 데에도 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 이를 통해 본 연구진은 nanodroplet chemistry라는 새로운 분야를 개척하고자 합니다.