기계보다 더 세밀하게 움직이는 고체물질?
기계보다 더 세밀하게 움직이는 고체물질?
  • 이웃집편집장
  • 승인 2024.06.27 17:04
  • 조회수 746
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나노 단위로 제어 가능한 새로운 고체물질이 개발됐습니다. 정밀한 기계적 움직임이 필요한 디지털 데이터 스토리지 등 특정 분야의 새로운 전망을 제시할 것으로 기대되는데요.

 

UNIST 화학과 최원영 교수팀과 민승규 교수팀은 기계처럼 작동하는 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, MOF)를 개발했습니다. 분자 수준의 기계 부품 교체를 통해 나노 단위로 기계의 움직임 또한 정밀하게 조절할 수 있음을 밝힌 것인입니다.

 

일상생활과 다양한 산업의 필요성에 의해 기계는 지속 발전해왔습니다. 분자 규모의 장치 설계를 통해 기계적 움직임 등 그 특성이 향상됐지만, 고체 상태의 분자 구조를 이루는 기계를 제어하는 것은 여전히 도전 과제로 남아있었죠.

 

연구팀은 각각의 네모난 블록이 연결고리로 이어진 모양의 기계 링크 구조(Mechanical linkage) 골격체를 만들기 위해 적절한 금속 노드(Metal Node)와 유기 리간드(Organic Ligand)를 선정했습니다. 개발된 금속-유기 골격체 제올라이트 모방 다공성 고체(Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)는 이루는 구성성분의 특성에 따라 다양한 구조로 조립될 수 있습니다. 

 

전파나 빛과 같은 파장인 X선의 회절현상을 측정해 개발된 골격체가 기계처럼 움직인다는 것도 확인했습니다. 골격체는 온도 변화와 용매 분자에 반응하며 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 특징을 보였습니다.

 

또한, 기계를 연결시키는 부품을 교체함으로써 나노 단위의 정밀한 움직임까지 제어 가능함을 확인했습니다. 아연 금속 노드와 이미다졸 유기 리간드로 제작한 골격체는 같은 금속-유기 골격체 중 가장 뛰어난 탄성과 유연성을 나타냈습니다.

개발된 다공성 고체 기반 분자 기계.금속 노드와 유기 리간드의 자가조립을 통해 합성된 제올라이트 모방 다공성 물질의 분자구조 그림이다. 이 구조는 기계 링크 구조 기반의 형태로 단순화 할 수 있으며, 기계의 작동 원리에 따라 구조의 유연성을 증명하였다.출처: UNIST
개발된 다공성 고체 기반 분자 기계.금속 노드와 유기 리간드의 자가조립을 통해 합성된 제올라이트 모방 다공성 물질의 분자구조 그림이다. 이 구조는 기계 링크 구조 기반의 형태로 단순화 할 수 있으며, 기계의 작동 원리에 따라 구조의 유연성을 증명하였다.출처: UNIST

연구팀은 이런 특별한 기계적 특성은 제작된 제올라이트 모방 다공성 고체(ZIF)의 기계 링크 구조 때문이라고 분석했는데요. 같은 소재를 사용하더라도 연결되는 방법에 따라 골격체의 유연성이 달라진다는 것입니다. 

ZIF 분자 기계의 회전 메커니즘.온도 변화에 반응하는 ZIF 분자 기계의 회전 운동 그림이다. 하단 그림에 주황색으로 표시된 각도는 온도가 상승하며 점차 커지며, ZIF를 이루는 분자 기계 부품들은 (초록색과 살구색) 금속 노드를 기준으로 맞물려 회전한다.출처: UNIST
ZIF 분자 기계의 회전 메커니즘.온도 변화에 반응하는 ZIF 분자 기계의 회전 운동 그림이다. 하단 그림에 주황색으로 표시된 각도는 온도가 상승하며 점차 커지며, ZIF를 이루는 분자 기계 부품들은 (초록색과 살구색) 금속 노드를 기준으로 맞물려 회전한다.출처: UNIST

이런 특성은 다양한 형태로 부품을 조립해 원하는 움직임을 구현하는 기계에서 나타나는 특징으로, 나노 신소재 개발 분야에서 다양하게 활용될 것으로 보입니다.

분자 기계 부품 교체를 통한 회전 메커니즘 제어.유기 리간드 조절을 통한 분자 기계의 부품 교체 그림이다. 교체된 부품의 작용기가 스토퍼 역할을 하며, 회전 운동을 제어할 수 있다.출처: UNIST
분자 기계 부품 교체를 통한 회전 메커니즘 제어.유기 리간드 조절을 통한 분자 기계의 부품 교체 그림이다. 교체된 부품의 작용기가 스토퍼 역할을 하며, 회전 운동을 제어할 수 있다.출처: UNIST

제1저자 남주한 연구원은 “이번 연구를 통해 분자 수준에서 제어 가능한 다공성 고체 기계 설계의 새로운 가능성을 발견했다”며 “ZIF의 움직임을 이해하고, 나노 수준의 메커니즘 제어가 필수적인 다양한 분야에서의 잠재적인 응용 가능성을 제시했다”고 전했습니다.

 

최원영 화학과 교수는 “분자 수준에서 기계 작동과 같은 움직임을 구현한 것은 독특한 기계적 특성을 갖춘 신소재를 발견한 것이다”며 “다양한 분자 기계 부품의 탐색 및 기계 링크 구조의 작동 원리에 대한 연구는 앞으로 디지털 데이터 스토리지와 같은 특정 응용 분야에 새로운 길을 열 것”이라고 기대했습니다.

연구 결과는 화학 분야 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'에 주목받는 논문(Hot Paper)으로 선정되어 6월 14일 온라인 게재됐습니다.

논문명: Zeolitic Imidazolate Frameworks as Solid-State Nanomachines

 

#용어설명

1. 기계 링크 구조 (Mechanical Linkage)

기계 링크 구조는 두 개 이상의 고체 부품(링크, Link)을 연결하여 기계적 움직임을 만들어내는 시스템이다. 각 링크는 하나의 관절(조인트, Joint)로 연결되어 서로 상대적인 움직임이 가능하며, 이를 통해 다양한 형태의 운동을 구현할 수 있다. 이러한 링크 구조는 복잡한 기계 동작을 단순한 구성으로 재현할 수 있도록 해주며, 로봇 팔이나 엔진과 같은 다양한 기계 장치에서 핵심적인 역할을 한다.

2. 제올라이트 모방 다공성 물질 (Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)

제올라이트 모방 다공성 물질(ZIFs)은 금속 이온과 이미다졸레이트 리간드가 결합해 형성되는 구조체로, 제올라이트와 구조적 유사성을 공유한다. 제올라이트 모방 구조의 다양한 연결성에 따라 다양한 형태의 기공을 구현할 수 있다. 또한, ZIFs는 화학적, 열적 안정성이 높아 촉매, 가스 저장, 분리 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이러한 특징들로 인해 나노 기술 및 재료 과학 분야에서 주목받고 있다.

3. 분자 기계 (Molecular Machines)

분자 기계는 분자 수준에서 작동하는 작은 기계 구조로, 분자 또는 분자들의 조합으로 이루어져 있다. 이들은 고정된 부분(고정자, Stator)와 움직이는 부분(회전자, Rotor)으로 구성되며, 특정 화학 반응이나 외부 자극에 의해 움직이도록 설계된다. 분자 기계는 나노 기술의 혁신적인 도구로서, 물질 수송, 촉매, 분자 로봇과 같은 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 이를 통해 매우 작은 규모에서도 정밀하고 다양한 기계적 동작을 수행할 수 있다. 그러나 복잡한 기계 링크 구조를 가진 고체 상태의 나노 기계를 개발하는 것은 여전히 큰 도전 과제이다.


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