시간-제어된 분자 자기 조직

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-15
일본 국립 물질재료연구기구(National Institute for Materials Science, NIMS)의 Kazunori Sugiyasu와 그의 연구진은 변형된 측쇄(side chain)를 가진 분자를 혼합시킴으로써 자기-조직(self-organization)을 개시할 수 있는 분자의 타이밍을 사전 프로그램할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 연구결과는 저널 Angewandte Chemie International Edition에 게재되었다. 분자 자기-조직은 자연에서 널리 관찰되고 있고, 광합성과 신경회로(neurocircuit) 등과 같이 복잡한 기능을 수행할 수 있는 새로운 시스템 개발이라는 관점에서 매우 중요하게 적용될 수 있다. 이런 시도를 통해서 분자 자기-조직의 원리를 이용함으로써 첨단 기능을 가진 새로운 재료를 개발할 수 있게 한다. 그러나 분자 자기-조직의 자발적인 특성 때문에, 이런 현상을 제어하는 것은 매우 어렵다. 특히, 분자 자기-조직이 개시되는 시점을 제어하는 것과 같은 자기-조직 현상의 타이밍을 제어하는 실험은 거의 이루어지지 않았다. 최근에, 이번 연구진은 두 종류의 자기-조직된 구조를 형성하는데 분자를 이용하는 연구를 수행했다. 한 종류의 자기 조직된 구조는 빠르게 형성되었지만 에너지적으로 불안정하였다. 따라서 일정 기간이 경과한 후에, 다른 유형의 자기-조직된 구조들이 형성되었다. 이런 구조들은 에너지적으로 더 안정적이었다. 분자의 측쇄를 변형시킴으로써, 이번 연구진은 두 종류의 자기 조직된 구조 간의 에너지 안정성을 반전시키고, 이전의 자기-조직된 구조만을 형성하는 새로운 종류의 분자를 합성할 수 있었다. 원래 및 새로운 분자들 간의 혼합 비율을 변형시킴으로써, 이번 연구진은 에너지적으로 안정적인 자기-조직된 구조가 형성되게 하는 타이밍을 제어하는데 세계 최초로 성공했다. 이러한 타이밍을 제어하는 것은 유기체의 생물학적 시계의 메커니즘과 유사하다. 이것은 이러한 시간 제어된 프로세스가 몇 개의 화학종으로 구성된 분자 네트워크에 의해서 수행되기 때문이다. 자기-조직은 재료 과학, 나노기술, 생명 공학과 같은 다양한 분야에서 중요한 개념이고, 재료를 합성할 수 있는 새로운 방법으로 큰 관심을 끌고 있다. 이 연구에서 개발한 방법을 적용함으로써, 바람직한 타이밍에 빛을 방출하거나 전기 전도성을 변화시킬 수 있는 첨단 시스템을 개발할 수 있을 것이다. 향후에, 이번 연구진은 생체분자 시스템이 수행하는 것과 같이 자발적으로 기능하는 스마트 재료를 개발하기를 원하고 있다. 이 연구결과는 저널 Angewandte Chemie International Edition에 “Kinetic Control over Pathway Complexity in Supramolecular Polymerization through Modulating the Energy Landscape by Rational Molecular Design”이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/anie.201407302). 그림. (a) 이전에 보고된 포르피린 분자 1. (b) 포르피린 분자 1가 될 수 있는 두 종류의 자기-조직. 입상 구조는 초기에 형성되지만 이것은 시간이 지남에 따라서 사라지고 그 후에 섬유 구조가 형성된다. (c) 섬유 구조를 형성하기 위해서 분자 1을 포함하는 자기-조직은 약 4시간 안에 시작한다. noname011.bmp http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38406.php