펨토화학(Femtochemistry)은 화학 반응이 진행되는 동안 분자 내 원자들의 움직임을 펨토초(10⁻¹⁵초, 1000조분의 1초) 단위의 시간 척도에서 실시간으로 연구하는 물리화학의 한 분야이다. '펨토'(femto-)는 SI 접두어로 10⁻¹⁵을 의미하며, '화학'(chemistry)과 결합하여 펨토초 단위의 초고속 현상을 다루는 학문임을 나타낸다.
이 분야는 1988년, 아메드 즈웨일(Ahmed H. Zewail)이 《사이언스(Science)》 저널에 "Laser Femtochemistry"라는 제목의 논문을 발표하면서 본격적으로 정립되었다. 즈웨일은 초고속 레이저 기술을 활용한 펌프-프로브(pump-probe) 분광법을 개발하여, 화학 반응 도중 원자들이 결합을 끊고 새로 형성되는 순간적인 과정을 최초로 관측하는 데 성공하였다. 이 공로로 그는 1999년 노벨 화학상을 단독 수상하였다.
펨토화학의 핵심 연구 방법은 펨토초 레이저를 이용한 펌프-프로브 기법이다. 먼저 펌프 펄스(pump pulse)로 반응물을 여기시켜 반응을 개시한 뒤, 시간 지연을 두고 프로브 펄스(probe pulse)를 조사하여 반응 중간체의 스펙트럼을 측정함으로써 반응 동역학을 추적한다. 이를 통해 종전에는 관측이 불가능했던 전이 상태(transition state)의 구조와 반응 경로를 실시간으로 분석할 수 있게 되었다.
펨토화학의 연구 대상은 기체 상태의 단순 분자 반응에서부터 용액 내 반응, 생체 분자의 형태 변화에 이르기까지 다양하다. 생물학적 연구에서는 스템-루프 RNA 구조의 형태 동역학을 규명하는 데에도 펨토화학적 방법이 적용된 바 있다. 또한 일부 반응의 단계는 펨토초보다 더 짧은 아토초(10⁻¹⁸초) 시간 척도에서 발생하기도 하며, 이는 아토초 과학(attoscience)이라는 더욱 세분화된 연구 영역으로 확장되고 있다.
펨토화학은 화학 반응의 메커니즘을 근본적인 수준에서 이해할 수 있는 길을 열었으며, 초고속 레이저 분광학, 광화학, 나노과학 등 여러 인접 학문 분야와 긴밀하게 연계되어 발전하고 있다.
