물질의 성질과 구조는 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 특히 나노 및 마이크로 소재는 그들이 가지고 있는 특이한 구조에 의해서 매우 유용한 성질이 발현되므로 원하는 나노 및 마이크로 구조체를 합성하는 것은 재료과학의 주요 목표중 하나이다.

나노/메소 규모 구조에서 위상기하학은 소재의 성질을 정의하고 미세한 특징을 찾아내는 데 매우 중요한 역할을 한다. 그래서 원하는 특성을 가진 기능성 소재를 만드는 데 위상 기하학은 무척 중요하다. 비공유결합을 통해 나노/메소 구조 소재를 자가 조립하는 방법은 잘 알려져 있지만, 공유결합 형성반응을 통해 자가 조립하는 방법에 대해서는 거의 알려진 바가 없다.

합성된 Al2O3층의 전자현미경 사진
© 김기문

단위 분자가 마이크로링 구조를 형성하는 과정.
© 김기문

직사각형의 모양의 단량체 (안트라히드로퀴논)을 유기용매에 녹이고 자외선을 쪼여주면 속이 빈 마이크로 도넛이 형성되는 것을 발견하였다.

이방형의 직사각형 분자를 사용하면 반응 중간에 형성되는 고분자 조각들 역시 이방성을 가지고 있어서, 등방형 분자를 사용하였을 때와는 다르게 고분자 조각들이 한쪽 방향으로 말리거나 구부려져서 튜브와 같은 형태를 이룰 것이라 예상하였다. 이에 모든 형성과정을 전자현미경과 FT-IR, NMR 등을 통해 관찰하여 최초 타원형의 고분자 조각이 만들어지고 이들이 말려서 튜브로 변한다음, 튜브가 길어져 마침내 끝과 끝이 만나서 도넛 모양이 되는 것을 확인하였다.

포스텍 물리과 성우경 교수와의 공동연구를 통해 속이 빈 마이크로 도넛이 형성되는 과정을 이론적으로 계산하여, 실험 결과와 계산 결과가 서로 일맥상통함을 확인하였다.

또한 속이 빈 도넛을 만드는 반응용액에 플러렌과 같은 작은 분자를 넣어주면 도넛의 비어있는 내부에 포집되는 것을 확인하였고, 외벽을 이루고 있는 안트라히드로퀴논의 산화환원반응 촉매 능력을 활용하여 은나노입자를 도넛표면에 도입할 수 있었다.

자가조립에 기반한 합성은 다양한 나노/메소 규모 구조물을 조립하는 데 있어서 매우 성공적인 전략이다. 연구단은 여기에 더해 지금까지는 불가능했던 도넛형 나노튜브를 새롭게 탄생시킨 것이다.

도넛형 나노튜브는 유해화학물질의 후합성처리를 하는 데도 기존의 방법들을 대체하는 매우 유용한 대안이 될 것이다. 게다가 합성 방법에 따라 마이크로링의 면적을 조정할 수 있다. 마이크로링이 다양한 구조를 가진 틀로 활용될 수 있다는 것은 잠재적으로 다양한 크기와 모양의 화학물질을 담을 수 있는 새로운 합성물질을 만들 수 있다는 것을 의미한다.

연구단은 이번 연구를 응용해 새로운 성과를 내는 작업에 착수했다.

• “이번 연구 결과로 기존에는 불가능해보였던 비가역적인 공유결합을 통한 자기조립현상으로 원하는 구조체를 합성할 수 있음을 보임으로써, 보다 다양하고 안정한 나노 및 마이크로 구조체를 손쉽게 합성하고 이를 활용할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다는 점에서 의미있다”

김기문 단장