분자의 '핸디드니스'는 핵 스핀 간 결합의 강도를 결정합니다.

UCLA, 애리조나 주립대, 펜실베이니아 주립대, MIT, 드레스덴 공과대학의 연구자들이 실시한 새로운 연구에 따르면 핵 스핀 간의 커플링 강도는 분자의 키랄성 또는 손잡이성에 따라 달라집니다. 이 연구는 또한 주어진 손잡이성의 키랄 분자(좌우 분자)에서 핵 스핀은 특정 방향으로 정렬되는 경향이 있음을 밝혔습니다. 오른손잡이와 같이 반대 키랄성을 가진 분자에서 스핀은 반대 방향으로 정렬됩니다.

Nature Communications 에 발표된 이번 연구 결과는 중요한 의미를 갖는데, 수십 년 동안 이러한 결합은 키랄성에 영향을 받지 않는다고 믿어졌기 때문입니다.

이 지식은 분자가 다른 분자와 상호 작용할 때의 손잡이성을 조사하는 데 사용될 수 있으며, 특정 키랄성이 다른 결과로 이어지는지 여부를 잠재적으로 밝힐 수 있습니다. 이러한 상호 작용은 또한 핵 스핀이 전자 스핀의 간접적인 지표 역할을 할 수 있으므로 화학 및 생물학에서 전자 스핀의 역할에 대한 통찰력을 제공할 수도 있습니다.

원자핵은 서로 결합된 양성자와 중성자를 포함하고 있으며, 각각은 "스핀"이라는 양자적 속성을 가지고 있습니다. 이 스핀은 막대 자석이나 순환 전류와 유사한 자기장을 생성합니다. 자기 핵이 가까이 있을 때, 각 핵은 다른 핵의 스핀에 영향을 미칩니다. 이를 스핀-스핀 결합이라고 하며, 두 자석이 서로를 잡아당기는 것과 유사합니다.

이러한 결합된 스핀 상태는 화학과 같은 다양한 응용 분야에서 분자 구조를 결정하는 데 사용되고, 생물의학 연구에서는 자기 공명 분광 이미징 또는 MRSI라고 하는 기술에 사용됩니다. MRSI는 조직에서 특정 화학 물질의 농도를 측정하여 의료 진단 및 연구에 귀중한 도구가 될 수 있습니다.

핵 스핀에 의해 생성된 자기장은 방향이 있는데, 이는 가리키는 화살표와 유사합니다. 그러나 북쪽을 일관되게 가리키는 나침반 바늘과 달리, 핵 스핀의 방향(스핀 상태라고 함)은 위, 아래 또는 다른 방향을 가리킬 수 있습니다. 이 방향은 샘플의 다른 분자 사이에서 다를 수 있으며, 외부 자기장, 이웃 원자 및 분자, 그리고 외부에서 적용된 무선 주파수 장의 영향을 받거나 제어할 수 있습니다.

스핀 상태의 방향은 핵 스핀이 응용 프로그램에서 어떻게 사용될 수 있는지에 영향을 미치기 때문에 중요합니다. 스핀-스핀 결합과 같은 스핀 상태에 영향을 미치는 요인과 이를 제어하는 ​​방법을 이해하는 것은 과학자들에게 중요한 연구 분야였습니다.

1999년 이래로 과학자들은 특정 분자의 가장 기본적인 속성 중 하나인 키랄성이 스핀 상태에 강력한 영향을 미치지만 커플링에는 영향을 미치지 않는 것으로 생각되었습니다. 키랄성은 같은 원자 집합이 서로 겹쳐질 수 없는 거울상인 두 개의 별개의 형태로 배열될 수 있는 분자의 기하학적 속성을 말하며, 이는 왼손과 오른손과 매우 유사합니다.

평행이동과 회전을 조합해도 왼손과 오른손이 완벽하게 정렬될 수 없는 것과 마찬가지로, 거울상 이성질체라고 알려진 이러한 거울상 형태는 구성은 동일하지만 다른 키랄 분자 및 환경과의 상호 작용이 다릅니다.

새로운 연구에 따르면 손잡이는 자기 핵 스핀이 결합되는 방식에 영향을 미칩니다. 그 효과는 미묘하고 작지만 실험에서 감지할 만큼 충분히 큽니다. 분자 내의 순수한 자기적 효과가 핵 스핀-스핀 결합에 기여할 수 있다는 것을 처음으로 증명한 것입니다.

"우리는 핵 스핀 간의 결합이 분자가 좌수인지 우수인지에 따라 달라질 수 있다는 것을 발견했습니다." 책임 저자이자 UCLA 화학 교수인 루이스 부샤르가 말했습니다. "결합의 강도는 두 키랄 형태 사이에서 다릅니다. 우리는 키랄성이 실제로 이러한 결합을 변경한다는 것을 발견하고 놀랐습니다. 우리의 발견은 잠재적으로 키랄성을 기반으로 분자를 선택적으로 조사하는 데 사용될 수 있습니다."

키랄성을 검출할 수 있고 화학 반응을 조작할 수 있기 때문에, 부샤르는 핵 스핀에 민감한 기술을 키랄 그룹과 관련된 화학 반응을 방해하지 않는 센서로 활용할 수 있다고 제안합니다. 이를 통해 반응이 발생하는 대로 관찰하고 분석할 수 있습니다. 잠재적인 응용 분야 중 하나는 생물학적 시스템을 위한 비섭동 분광 센서 개발입니다.

"우리는 화학 및 생물학적 시스템에서 전자와 스핀의 상태를 조사할 더 나은 방법이 필요합니다."라고 부샤르는 말했습니다. "이 발견은 화학 및 생화학 도구 상자에 새로운 도구를 추가하여 화학 반응 중 스핀의 상태를 조사하는 연구를 설계할 수 있게 해줍니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241009145003.htm