Knowing exact molecular structure is essential for understanding the properties of molecules, their interaction with the environment and the reaction mechanism. Many structural methods such as X-ray crystallography, electron diffraction, solution scattering, NMR, and XAFS have been developed and greatly improved, but identifying exact molecular structure in solution is still not a trivial job. Recently, we developed pump-probe X-ray solution scattering by using the X-ray pulse, instead of optical pulse, as a probe and gives the time-resolved scattering response sensitive to global molecular structure. Pump-probe X-ray solution scattering is a tool to circumvent limitations of optical spectroscopy and other structural methods. Since X-ray scatter from all atoms in the solution sample, TRXS can track not only the reaction pathways of the solute molecules but also the solvent behavior and the solute-solvent arrangement, thus providing a global picture of the reactions. We has had much success in visualizing structural dynamics of small molecules and proteins in solution with 100 ps time resolution using pump-probe X-ray solution scattering technique based on 3rd-generation synchrotrons. For example, TRXS has found that the major reaction intermediates upon photodissociation in iodoform (CHI3) is CHI2 radical rather than CHI2-I isomer and it is contradict to the previous spectroscopic studies. We have also used TRXS to identify famous symmetry breaking phenomena occurred in the I3- ion in water solution. I3- ion has asymmetric-bent structure in water solution while it has symmetric linear structure in acetonitile solution. With the aid of X-ray free electron lasers, the time resolution of TRXS can be improved to 100 fs. With this higher resolution, real time observation of ultrafast chemical events such as bond-breaking and bond-making will be possible.
용액상 시간분해 회절 방법을 이용하여 여러 작은 분자들의 흥미로운 화학 현상들을 연구하였다. 용액 속에서 일어나는 분자의 반응 메커니즘을 이해하기 위해서는 분자의 정확한 구조와 그 구조 변화를 정확히 아는 것이 필요한데, 용액상 시간분해 회절 방법은 이러한 연구를 위한 최적의 방법 중 하나이다. X-선은 용액 속 모든 원자들로부터 회절을 일으켜 용액 내 용질 분자의 구조변화와 주위 용매와의 상호작용에 관한 정보를 전달한다. 이를 이용하여 물에 의한 I3- 이온의 symmetry breaking현상과 레이저 파장에 따른 I3- 이온의 서로 다른 반응 경로, 그리고 시간분해 X-선 흡수 분광법과의 연계를 통해 CHI3분자의 진짜 photoproduct가 무엇인지 연구하였다.
2.1 장에서는 용액상 시간분해 회절 방법을 이용하여 물에 의한 I3-이온의 symmetry breaking현상을 밝혔다. 자연적으로 분자들은 그들이 가질 수 있는 가장 높은 symmetry를 가지려는 경향이 있는데, 특수한 환경에서 더 낮은 symmetry를 갖는 현상이 일어난다. 이를 symmetry breaking이라고 하고 물에 의한 I3- 이온의 구조 변화가 대표적인 예이다. 물, 메탄올, 아세토나이트릴 용매 속에서의 I3- 이온의 정확한 구조를 측정함으로써 symmetry breaking현상을 처음으로 직접 관찰하고 그 현상의 원인이 강한 hydrogen bonding interaction임을 밝혔다. I3-이온은 물 속에서는 asymmetric bent구조를 가지며 아세토나이트릴 속에서는 symmetric linear 구조를 갖는다.
2.2 장에서는 용액상 시간분해 회절 방법을 이용하여 레이저 파장에 따른 I3- 이온의 서로 다른 반응 경로를 연구하였다. I3-이온은 여기에 사용되는 레이저 파장에 따라 서로 다른 반응 경로를 가질 수 있다. Photon의 에너지가 충분히 강할 경우 (259 nm) 2I + I-로 완전히 갈라지는 반응이 가능하지만 에너지가 충분하지 못할 경우 (400 nm) I2- + I로 갈라지는 반응만이 일어남을 확인하였다.
3 장에서는 용액상 시간분해 회절 방법과 용액상 시간 분해 X-선 흡수 분광법을 함께 사용하여 CHI3분자의 진짜 photoproduct가 무엇인지를 밝혔다. 방사광 가속기의 강력한 X-선을 이용하는 이 두 가지 방법은 용액상 화학반응에서 일어나는 구조 변화를 직접적으로 관찰할 수 있는 최신 연구 방법들로, 서로 상호보완적인 정보를 제공한다. 이 둘을 함께 사용함으로써 우리는 훨씬 더 신빙성 있는 결과를 얻을 수 있었다. 시간분해 회절 실험과 시간분해 X선 흡수 분광실험 결과 둘 모두에서 CHI3 분자의 photoproduct는 CHI2 radical이며, CHI2I isomer는 생성되지 않는 것으로 밝혀졌다.
4 장에서는 4세대 방사광 가속기를 이용하여 펨토 초 영역에서 일어나는 분자의 구조 변화에 대해 연구하였다. I3- 이온의 vibrational cooling 과정과 heme단백질의 펨토 초 영역의 구조 변화를 조사하였고 일부 기초적인 결과를 얻었다.
