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기계보다 더 세밀하게 움직이는 고체물질 개발

 

- UNIST 최원영 교수팀, 나노 단위로 제어가능한 금속-유기 골격체 개발 -

- 데이터 스토리지 등 특정 분야에 새로운 길 열것… Angew. Chem. Int. Ed. 게재 -

 

최원영 교수(교신저자)

기계는 건축 및 기계 공학 분야를 비롯한 다양한 영역에서, 인류의 발전과 함께 진화해 왔다. 기계 설계의 기본 원리는 기계의 기계적 동작이 일련의 기계 링크 구조에서 비롯된다는 사실에 기초한다.

와트, 스콧-러셀, 사러스, 베넷, 호버맨, 클랜 링크 등 각각의 링크는 독특한 기동성을 제공하며, 이는 곧 기계의 기능을 결정한다. 한편, 현재 기계는 다양한 규모로 발전해왔고, 마침내 분자 수준에 이르렀다. 분자 기계의 종류에는 로봇 팔, 회전문, 기어, 셔틀, 엘리베이터, 래칫, 모터, 펌프 등이 있으며, 이러한 기계는 나노 및 소프트 로보틱스, 분자 수송, 촉매 등 다양한 분야에서 그 중요성이 부각되고 있다.

그러나 복잡한 기계 링크 구조를 가진 고체 상태의 나노 기계를 개발하는 것은 여전히 큰 도전 과제이다. 나노 단위로 제어 가능한 새로운 고체물질이 개발됐다. 정밀한 기계적 움직임이 필요한 디지털 데이터 스토리지 등 특정 분야의 새로운 전망을 제시할 것으로 기대된다.

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

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

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 선정했다. 개발된 금속-유기 골격체 제올라이트 모방 다공성 고체(Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)는 이루는 구성성분의 특성에 따라 다양한 구조로 조립될 수 있다.

 

개발된 다공성 고체 기반 분자 기계 (1)
ZIF 분자 기계의 회전 메커니즘

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

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

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

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

 

분자 기계 부품 교체를 통한 회전 메커니즘 제어
ZIF 분자 기계의 기계적 성질

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 전했다.

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 기대했다.

연구 결과는 화학 분야 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)에 주목받는 논문(Hot Paper)으로 선정되어 6월 14일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 한국산업기술기획평가원(KEIT), 울산과학기술원(UNIST)의 지원으로 이뤄졌다.

연구에는 최원영 교수팀의 남주한, 진은지, 이수찬, 조혜진 연구원이 참여했고 민승규 교수팀의 김석진 연구원이 공동 참여했다. 논문명은 Zeolitic Imidazolate Frameworks as Solid-State Nanomachines이다.

 

□연구개요

1. 연구내용

분자 수준에서 기계처럼 작동하는 다공성 고체를 설계하기 위해 제올라이트 모방 다공성 고체(Zeolitic Imidazolate Framework, ZIF)는 이상적인 플랫폼으로 활용될 수 있다. 변형 능력과 다양한 구조로 인해 ZIF는 나노 규모의 기계를 설계하는 데 이상적인 기반이 될 수 있다.

이번 연구에서는 다공성 고체인 ZIF를 합성하고, ZIF 내부의 분자 기계 부품의 기계 링크 구조를 발견하는데 성공했다. 온도에 따른 단결정 싱크로트론 엑스레이 회절(Synchrotron X-ray diffraction) 실험을 통해 기계처럼 작동하는 ZIF의 메커니즘을 확인하고, 분자 기계 부품에 나노 스토퍼를 부착해 회전 메커니즘을 제어하였다. 또한, 이론적 계산(DFT calculation)을 통해 기계적 성질의 비등방성 및 ZIF 구조의 우수한 유연성을 확인했다.

2. 기대효과

이번 연구를 통해 나노 단위로 제어 가능한 다공성 고체 기반 분자 기계를 개발하고, 기계 부품의 교체에 의한 기계적 특성 조절 가능성을 확인했다. 이는 기존에 보고된 다양한 ZIF 구조에서의 기계적 특성과 연관성을 생각할 수 있다.

 

□용어해설

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.

UNIST 홍보실 제공

 

노벨사이언스  science@nobelscience.co.kr

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