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많은 화학·물리적 현상은 우리가 직접 관측하기 어려운, 짧은 시간 (나노초~펨토초) 동안만 유지되는 상태에서 일어난다. 분자나 전자 수준에서 일어나는 개별적인 사건에 해당하는 미시적 변화 (에너지 전달, 전하 이동 등)와 이러한 사건들이 모여 나타나는 거시적 변화 (구조 변화, 전자적 성질 변화 등)에 이르기까지, 물질의 모든 성질 변화는 초고속 동역학 과정을 거쳐 전개된다. 즉, 이러한 동역학 과정으로 상태가 어떻게 생성되고 진화하느냐가 물질의 기능과 성능을 결정짓는 핵심이다.

우리 연구실은 기능성 분자 및 나노 물질에서 나타나는 초고속 동역학을 연구한다. 들뜬 상태가 시간에 따라 어떻게 (에너지 전달, 전하 이동 등) 생성되고 진화하며 소멸되는지를 정량적으로 추적한다. 또한 이러한 동역학이 국소적인 구조 변화와 전자적 성질의 변화로 어떻게 이어지는지 직접 관찰함으로써, 물질의 구조-기능 상관관계가 어떻게 결정되는지 메커니즘을 이해하고자 한다.

이와 같은 초고속 동역학을 분석하기 위해, 우리는 반응을 유도하는 자극과 그에 따른 변화를 시간 지연을 두고 추적하는 pump–probe 방식을 사용한다. 펨토초 레이저 펄스(pump)로 물질의 반응을 유도한 후, 일정한 시간 지연 후의 탐침(probe; 빛 혹은 전자)을 이용해 시료의 상태를 측정함으로써, 시간에 따른 반응을 추적한다. 이러한 접근법을 바탕으로, ultrafast spectroscopy와 ultrafast microscopy는 펨토초에서 나노초 시간 영역에서 형성되는 초고속 동역학을 연구하는 핵심적인 도구로 활용되고 있다. ultrafast spectroscopy는 들뜬 상태에서의 에너지 및 전하 거동을 시간적으로 정밀하게 추적할 수 있고, ultrafast microscopy는 이러한 동역학이 국소적인 구조 및 물성 변화로 어떻게 연결되는지를 공간적으로 직접 관찰할 수 있게 해준다.

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Chemical Dynamics

Energy & Environment

Quantum Nanophotonics

Ultrafast

Structral Dynamics

생체 내 반응과 화학 공정에서의 분자 거동을 이해하기 위해서는 반응이 시간에 따라 어떻게 진행되는지를 정량적으로 파악하는 분자 동역학 연구가 필수적이다. 특히 용액상에서의 반응은 분자 간 상호작용과 확산, 용매 재배열이 동시에 작용하는 복잡계 동역학으로 나타나며, 이러한 과정은 분자 수준에서의 시간에 따른 변화를 추적해야 이해할 수 있다.

이러한 용액상 분자 동역학을 연구하기 위해 광산 (photoacid) 분자를 모델 시스템으로 활용한다. Fluorescence upconversion과 시간 상관 단일 광자 계수법(TCSPC)을 이용하여 펨토초에서 나노초 시간 영역에서 일어나는 여기 상태의 생성과 이완, 양성자 이동, 그리고 분자 간 확산 과정을 시간에 따라 추적함으로써, 용액 환경에서 나타나는 반응 동역학의 기본 원리를 규명하고자 한다.

Recommand Publications

- J. Phys. Chem. A 2025, 129, 447–458.

- Cell Rep. Phys. Sci. 2024, 5, 102155.

- J. Mol. Liq. 2021, 326, 115270.

Energy & Environment

태양전지와 광촉매와 같은 에너지 변환 물질은 태양 에너지를 효율적으로 활용하고 지속 가능한 에너지 기술을 구현하기 위해 활발히 연구되고 있다. 이러한 물질의 성능은 빛을 흡수한 직후 형성되는 여기 상태에서의 에너지 전달과 전하 거동에 의해 결정되며, 이 과정에서 발생하는 손실과 비효율이 실제 응용을 제한하는 주요 요인으로 작용한다.

이러한 한계를 이해하기 위해, ultrafast spectroscopy를 활용하여 펨토초에서 나노초 시간 영역에서 일어나는 들뜬 상태의 생성과 이완 과정을 시간에 따라 추적한다. Transient absorption spectroscopy와 fluorescence upconversion spectroscopy를 상호보완적으로 적용함으로써, 여기 상태의 생성과 소멸, 전하의 이동, 그리고 발광 상태의 이완 과정을 선택적으로 관찰하며, 에너지 변환 과정에서의 손실 경로와 효율을 제한하는 근본적인 메커니즘을 규명하고자 한다.

Recommand Publications

- Energy Environ. Sci. 2025, 18, 8161–8170.

- Chem. Eur. J. 2024, 30, e202402370.

- Small 2023, 19, 2206547.

Quantum Nanophotonics

나노 스케일에서의 빛–물질 상호작용은 국소적인 전자 여기와 시스템의 상태에 의해 결정되며, 이는 벌크 물질과는 본질적으로 다른 광학적 응답을 만들어낸다. 이러한 응답은 나노 구조의 기하학적 형태, 크기, 조성, 그리고 주변 환경에 매우 민감하게 의존하며, 국소적인 광학 기능이 어떻게 기원하는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 특히, 에너지의 여기와 방출 과정은 나노 구조 내부의 특정 영역에 국한되어 나타나는 경우가 많으며, 이러한 공간적으로 국소화된 거동은 기존의 평균화된 광학 측정 기법만으로는 충분히 포착하기 어렵다.

이러한 나노 구조 내 여기 상태와 에너지 흐름을 규명하기 위해, 본 연구에서는 초고속 전자현미경 기반의 cathodoluminescence(CL)와 electron energy-loss spectroscopy(EELS)를 활용한다. CL은 전자 빔에 의해 유도된 방사 과정에서 발생하는 빛 방출을 직접적으로 관찰할 수 있는 기법이며, EELS는 국소적으로 전자가 여기되는 과정과, 빛을 내지 않고 에너지가 사라지는 경로에 대한 상보적인 정보를 제공한다. 시간 분해 CL 측정은 펨토초 시간 분해능의 streak camera와 나노초 시간 영역의 time-correlated single-photon counting(TCSPC)을 함께 사용함으로써, 초고속 전하 동역학부터 장수명 발광 과정에 이르기까지 폭넓은 시간 영역의 동역학을 포괄적으로 분석할 수 있다. 이러한 다중 기법 접근을 통해, 나노 스케일에서의 국소 구조, 전자 여기, 그리고 방출 동역학 간의 상관관계를 고시간·고공간 분해능으로 규명하고, 국소적인 물성이 광학적 기능을 어떻게 결정하는지를 밝히고자 한다.

Recommand Publications

- ACS Nano 2024, 18, 33441–33451.

- ACS Nano 2024, 18, 4911–4921.

- ACS Nano 2021, 15, 19480–19489.

Ultrafast Structural Dynamics

물질의 성질은 정적인 구조만으로는 온전히 설명되지 않으며, 외부 자극으로 순간적으로 변화하는 구조에 의해 새로운 동역학과 기능이 발현된다. 강한 광여기 이후 나타나는 구조 변화를 규명하기 위해 전자 분포, 격자 구조, 그리고 집단적 여기 모드가 얽힌 복합적인 동역학을 이해해야 하며, 이는 물질의 기능적 응답을 결정하는 핵심 요소로 작용한다.

이러한 초고속 구조 동역학을 이해하기 위해, ultrafast microscopy를 이용한 시간 분해 이미징 및 회절 기법을 활용한다. 펨토초 시간 분해능으로 구조 변화와 전자적 응답을 직접 추적함으로써, 여기 상태에서 시작된 동역학이 원자 배열과 결정 구조의 변화로 어떻게 연결되는지를 규명하고자 한다. 이를 통해 물질이 보이는 새로운 물성의 기원과 그 시간적 진화를 구조적 관점에서 이해하는 것을 목표로 한다.

Recommand Publications

- Nano Lett. 2023, 23, 3645–3652.

- Sci. Adv. 2023, 9, eadd5375.

- ACS Nano 2020, 14, 11383–11393.