본 과제는 빛을 받은 분자에서 일어나는 초고속 변화를 관찰해, 태양 에너지 전환 원리를 더 잘 이해하려는 연구임.
연구목표는 박테리아 로돕신의 광이성질화 과정을 구조 변화 중심으로 관찰하는 장치를 고성능으로 만드는 데 있음. 핵심연구내용은 Kerr 게이팅에서 광학 Kerr 효과를 이용해 시분해 형광의 시간·파장 분해능을 Kerr 매질을 박막화하고 타이트한 집광, 편광판의 군 속도 분산 제어로 향상시키는 분광학 장치 설계 및 제작임. 기대효과는 기존 순간 흡수 분광법에서 신호가 섞여 해석이 어려운 발색단 혼합 시스템도 관찰 가능하며, 구조 변화 정보와 높은 효율의 기원, 원뿔형 교차점 및 암순응·명순응 차이를 더 명확히 규명해 생체 모사 분자 모터·분자 머신 디자인 원리 제공이 가능해짐.
펨토초 시간 영역에서는 여러 양자 상태들이 동시에 관여하여 진동 결맞음, 전자 결맞음, 진동-전자 커플링 등의 양자 결맞음 현상을 나타내며, 에너지 및 전자 전달 등에 대한 반응 초기의 양자동역학이 화학 현상의 운명을 결정한다. 양자동역학 지식의 진보와 화학시스템의 증강을 위해서 실험 및 이론의 전문성을 통합하는 새로운 접근법을 제시한다. 분자의 구조, 결...
양자동역학 연구를 위한 실험 도구로 극초고속 시간 분해능과 더불어 분자의 구조와 관련된 정보를 제공하는 2-차원 전자 분광법, 시간분해 라만, 2-차원 진동 분광법, 핵파속 분해(wave-packet-resolved) 시분해 형광, 화학작용(actinic)-펌프 펨토초 유도 라만 산란 등을 높은 시간 분해능과 광대역 주파수 방식으로 개발할 것이며, 펨토초 X-선을 이용한 시간분해 X-선 산란/회절 테크닉도 개발하여 시간에 따른 결맞음과 구조 변화를 직접 측정한다. 양자동역학 이론 연구 도구로 원뿔형 교차점을 포함한 퍼텐셜 전 구간에서 안정적으로 들뜬 상태를 계산할 수 있는 양자화학 전자 구조 이론, 빠른 분자동역학 시뮬레이션을 위한 퍼텐셜, 비단열 분자 동역학(nonadiabatic molecular dynamics) 시뮬레이션 방법론, 비단열 커플링과 다중 전자 상태 사이의 양자 결맞음 계산법, 레이저 전기장과 물질의 상호작용을 양자역학적으로 기술하는 이론 등을 개발한다.
개발된 실험적 이론적 기법을 고립된 유기 분자시스템에 적용하여 양자동역학 연구 방법론을 발전시키고 분자 양자동역학의 기초를 다진다. 나아가 유기 분자에서 양자동역학에 기반을 둔 화학 과정의 논리적 제어를 연구한다.
나노시스템과 바이오시스템의 구조, 형태, 조성, 화학적 변이 등을 통한 양자 상태의 조절을 통하여 거대 화학 시스템의 양자결맞음과 결맞음에 영향을 주는 요소의 상관관계를 밝힐 수 있는 연구 기법을 개발하여, 나노구조체 및 바이오포토 시스템의 양자동역학 이해와 응용을 추구한다. 이로부터 기능이 강화된 나노시스템, 효율적으로 발광하는 유기 형광 소재, 높은 광효율을 지니는 인공광합성 시스템, 높은 형광 효율과 수명을 가지는 형광단백질 등의 개발을 추구한다.
양자동역학 연구를 위한 실험 도구로 극초고속 시간 분해능과 더불어 분자의 구조와 관련된 정보를 제공하는 2-차원 전자 분광법, 시간분해 라만, 2-차원 진동 분광법, 핵파속 분해(wave-packet-resolved) 시분해 형광, 화학작용(actinic)-펌프 펨토초 유도 라만 산란 등을 높은 시간 분해능과 광대역 주파수 방식으로 개발할 것이며, 펨토초 X-선을 이용한 시간분해 X-선 산란/회절 테크닉도 개발하여 시간에 따른 결맞음과 구조 변화를 직접 측정한다. 양자동역학 이론 연구 도구로 원뿔형 교차점을 포함한 퍼텐셜 전 구간에서 안정적으로 들뜬 상태를 계산할 수 있는 양자화학 전자 구조 이론, 빠른 분자동역학 시뮬레이션을 위한 퍼텐셜, 비단열 분자 동역학(nonadiabatic molecular dynamics) 시뮬레이션 방법론, 비단열 커플링과 다중 전자 상태 사이의 양자 결맞음 계산법, 레이저 전기장과 물질의 상호작용을 양자역학적으로 기술하는 이론 등을 개발한다.
개발된 실험적 이론적 기법을 고립된 유기 분자시스템에 적용하여 양자동역학 연구 방법론을 발전시키고 분자 양자동역학의 기초를 다진다. 나아가 유기 분자에서 양자동역학에 기반을 둔 화학 과정의 논리적 제어를 연구한다.
나노시스템과 바이오시스템의 구조, 형태, 조성, 화학적 변이 등을 통한 양자 상태의 조절을 통하여 거대 화학 시스템의 양자결맞음과 결맞음에 영향을 주는 요소의 상관관계를 밝힐 수 있는 연구 기법을 개발하여, 나노구조체 및 바이오포토 시스템의 양자동역학 이해와 응용을 추구한다. 이로부터 기능이 강화된 나노시스템, 효율적으로 발광하는 유기 형광 소재, 높은 광효율을 지니는 인공광합성 시스템, 높은 형광 효율과 수명을 가지는 형광단백질 등의 개발을 추구한다.
전년도에 개발된 양자동역학 연구를 위한 이론 및 실험 도구를 발전시키고 몇 가지 추가 도구를 개발하였으며 이를 이용하여 고립된 분자, 분자집합체, 무기 클러스터, 나노클러스터, 바이오시스템 등에서 일어나는 양자 동역학을 연구하였다.
Thymine, trans-butadiene 등 분자에서 CI 및 비단열 양자동역학을 이론적으로 연구하였으며, 1,3,5,7-octatetraene의 들뜬 상태 동역학을 이론적으로 연구하고 이를 바탕으로 극초고속 시간분해 형광을 이용하여 이론적/실험적으로 들뜬 상태의 양자동역학을 연구하였다.
여러 무기 나노클러스터를 합성하고 광학적 구조적 특성에 대해 규명하였다. 이종 원소가 도핑된 InP 무기 나노클러스터를 보유하고 있으며 이를 바탕으로, i) 무기 나노클러스터에 이종 원소 도입을 통해, 표면 특성에 따른 구조적/기계적 특성 변화를 관측하였으며, ii) 할로겐 리간드가 도입된 InP 무기 나노클러스터를 분리하고 표면 특성에 따른 전자 구조(광특성, 안정성)의 관련성을 밝혔으며, iii) 무기 나노클러스터의 알코올 흡착/탈착에 의한 이성질화 현상을 처음으로 확인하고, iv) 높은 원편광 이색성 흡수 특성을 갖는 InP 무기 나노클러스터를 분리/합성하고 구조와 광학 활성 간의 관계를 밝혔다.
시간 분해 형광을 이용하여 형광 단백질들의 들뜬 상태 동역학을 측정하고 이로부터 단백질 환경 및 아미노산 잔기와 발색단(chromophore) 사이의 상호 작용이 형광에 미치는 영향을 규명하였으며, 이온이동도 질량분석기와 레이저 및 X-선 광원을 접목하여 생분자의 광유도 화학 반응과 구조동역학을 연구하였다. 펨토초 X-선을 이용하여 생분자의 중요 성분인 물의 성질을 연구하고, 생분자의 구조 동역학과 기능에 대하여 연구하였다. 단일분자 FRET 이미징을 통하여 세포 내 B-Z DNA 구조 변이 메커니즘을 이해하고자 하였다.