기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단 김기문 단장 연구팀이 자체 개발한 ‘포피린 박스’를 케이지로 사용하는 2.3nm(머리카락 두께의 10만분의 1)의 분자 로터를 합성하는데 성공했다.
회전기계들 안에 설치되는 로터(rotor·회전자)의 구조를 닮았으며 외부의 화학적 자극에 의해 움직임을 제어할 수 있다.
연구팀은 지난 2015년 6개의 사각형 포피린(P·porphyrin) 분자와 8개의 삼각형 분자(L)로 이뤄진 정육면체 모양의 다면체인 ‘포피린 박스(P6L9)’를 합성한 바 있다.
이번에 포피린 박스 내부에 ‘축 분자’와 ‘회전체 분자’를 설치해 분자 로터를 완성했다.
분자 로터는 외부의 자극이 없을 때는 아무런 움직임을 보이지 않는다.
외부에서 화학적 자극을 가하면 회전체 분자가 축 분자를 중심으로 빠르게 회전하는 회전 운동과 축 분자 자체가 느리게 움직이는 텀블링 운동을 보인다.
화학적 자극 뿐 아니라 자외선 빛을 쪼여도 분자 로터의 움직임을 원격으로 제어할 수 있다.
연구팀은 포항 방사광가속기를 이용해 분자 로터의 정확한 구조를 분석했다.
핵자기공명법을 통해 외부자극으로 분자 로터의 회전 및 텀블링 운동을 제어할 수 있음도 증명했다.
한편 분자 기계는 외부의 자극에 의해 기계적인 움직임을 구현해내는 분자 집합체로 ‘세상에서 가장 작은 기계’로 불린다.
하지만 여전히 나노미터 수준의 영역에서 정밀하게 작동하는 분자 기계를 설계하는 것은 기술적으로 많은 어려움이 있었다.
이번 연구는 기계적 움직임을 잘 활용하면 외부자극에 의해 임의로 조절 가능한 분자 수준의 스마트 인공 기계를 개발할 수 있을 것이라는 기대감을 주고 있다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘켐(Chem)’ 1월 19일자 온라인판에 게재됐다.
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