논문의 제목은 "용액상의 전이 분자 구조의 극초단 엑스선 회절(Ultrafast X-ray Diffraction of Transient Molecular Structures in Solution)"로 사이언스지에 게재될 논문들 중 특히 중요한 발견을 미리 온라인에 올리는 사이언스 온라인 익스프레스(Science Online Express) 인터넷 판에 발표됐다.

용액 중에는 눈에는 보이지 않는 수많은 분자들이 끊임없이 움직이고 있다. 하지만 이러한 움직임은 작고도 매우 빨라서 보통의 카메라나 현미경으로는 관측할 수 없다.

예를 들어 컵에 담긴 커피 한잔에도 눈에 보이지는 않지만 엄청나게 많은 수의 물 분자들과 커피분자들이 춤추고 있다. 대부분의 화학반응이 이와 같은 용액에서 일어나는데, 지금까지는 용액에서 일어나는 미시세계, 즉 나노보다도 작은 분자의 정확한 구조변화를 실시간으로 직접 측정하는 것은 불가능했다.

이 교수팀은 이러한 용액에 빛을 쪼인 후 일어나는 복잡한 분자들의 움직임을 실시간으로 측정하기 위해, 아주 짧은 엑스선 펄스(X-ray pulse, 회절현상을 일으킬 수 있는 빛)를 용액에 보낸 후

거기서 나오는 회절 신호(빛이 일정한 패턴을 가지고 있는 물질이나 분자에 반사되어 나오는 신호)를 시간에 따라 측정함으로써 분자들의 움직임을 잡아내는데 성공한 것이다. 쉽게 말하면 엑스선 펄스가 분자의 움직임을 찍어내는 분자 캠코더의 역할을 했다고 할 수 있다.

사용된 엑스선 펄스는 0.1 나노미터의 파장을 가지고 100억분의 1초의 시간길이를 가진 아주 짧은 광원이다. 파장이 아주 짧기 때문에 아주 선명한 사진을 찍을 수 있는 것이고 시간길이가 아주 짧기 때문에 분자의 빠른 움직임을 포착해 낼 수 있는 캠코더의 역할을 할 수 있는 것이다.

이 교수의 주도하에 이루어진 이 연구는 결정(crystal)에만 응용되어 오던 엑스선 회절법을 용액에 응용하였는데, 1년이 넘는 끈질긴 반복 실험들과 창의적인 신호분석을 통해, 결정과는 달리 규칙적인 구조를 가지지 않는 용액에서는 엑스선 회절 신호로부터 분자구조의 변화를 직접적으로 추적하는 것이 불가능하다는 기존의 상식을 깼다.

이 논문을 사이언스지에 투고 했을 때 심사위원들은 실험과 분석 결과, 기존의 상식으로는 거의 불가능하다고 생각한 것을 실험으로 증명했기 때문에 놀라움을 금치 못했다고 한다.

이 기술이 더욱더 발전하면 나노물질과 단백질에도 응용 가능하므로 나노기술(NT)과 바이오기술(BT) 분야에도 크게 기여할 것으로 전망된다. 포항에 있는 제3세대 가속기에 이어 차세대 광원으로 건설이 논의되고 있는 제4세대 방사광가속기(XFEL)가 한국에서도 성공적으로 가동되면 현재 발표된 데이터보다 1,000배정도 더 좋은 획기적인 자료를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

이 연구는 KAIST 정착 연구비, BK21 사업, 젊은 과학자 연구비 등의 도움을 받아 진행되었다. 李 교수는 지난 2003년 8월부터 KAIST 화학과에서 조교수로 강의와 연구를 시작했다.

이 교수처럼 교수임용 2년 만에 사이언스지에 단독 책임저자로 게재되는 것은 한국에서는 처음이고 외국에서도 흔치 않다. 이 연구에 같이 참여한 연구원은 김태규(金太圭, 29, KAIST출신) 박사와 이재혁(李宰赫, 22) 석사과정 학생이다.