첨가제나 주형을 사용하지 않고 직사각형 모양의 분자들이 서로 연결돼 스스로 속이 빈 마이크로도넛을 만드는 방법을 국내 연구진이 처음 개발했다. 이번 연구는 내부 빈 공간을 활용한 약물전달이나 촉매, 나노물질을 원형으로 배열할 수 있는 지지체 등 응용가능성이 커 주목 받고 있다.

IBS(원장 오세정)는 복잡계자기조립연구단(단장 김기문)이 첨가제나 주형을 사용하지 않고도 속이 빈 마이크로 도넛이 자발적으로 만들어지도록 하는 방법을 개발했다고 6일 밝혔다.

이번 연구결과는 블록 분자의 디자인을 통해 다양한 형태의 나노 혹은 마이크로 구조체를 매우 손쉽게 합성할 수 있는 새로운 가능성을 보여줌과 동시에 블록 장난감으로 다양한 형태의 구조체를 만드는 것처럼 다양한 신소재 개발의 새로운 지평을 열었다는 평가를 받고 있다.

연구성과는 6일 세계적인 학술지인 '네이처 케미스트리(Nature Chemistry)' 온라인판에 발표됐으며, 2월호 표지논문으로도 실릴 예정이다.

자기조립으로 형성된 마이크로도넛 지름은 약 0.7~2.7마이크로미터(㎛), 단면 너비는 약 40~80나노미터(㎚)로 내부에 빈 공간을 지니는 초소형 도넛 모양을 하고 있다. 비어있는 내부 공간에 다른 작은 분자를 포집했다가 배출할 수 있는 특징이 있다.

김기문 단장 연구팀은 앞선 연구에서 등방형의 원판형 분자들을 용액상에서 중합해 원판의 평면 방향으로만 조립되는 구형의 나노캡슐이나 필름 형태의 이차원 고분자를 만드는 새로운 방법을 발견해 학계의 주목을 받은 바 있다.

관련 연구의 연장선에서 연구팀은 등방형의 원판형 분자대신 이방형의 직사각형 분자를 사용하면 처음 형성되는 얇은 판 모양의 고분자 조각들이 한쪽 방향으로 선택적으로 말려서 튜브나 도넛 형태가 만들어 질 것을 예상했다.

그리고 전자현미경과 FT-IR, NMR 등으로 관찰한 결과, 직사각형 분자들이 스스로 연결돼 얇은 타원형의 고분자 조각들을 형성하고 이것들이 한쪽 방향으로 말려서 나노튜브가 만들어진 뒤, 나노튜브가 길게 자라나다가 마침내 끝과 끝이 만나서 속이 빈 마이크로 도넛 모양이 된다는 사실을 확인했다.

새롭게 발견된 방법은 간단하다. 직사각형 모양의 단량체(안트라히드로퀴논)를 유기용매에 녹인 후 자외선을 쪼여주면 끝이다.

이와 같은 분자들의 자기조립현상은 기존에는 조절이 쉬운 비공유결합을 통해 이루어진 것에 반해, 이번 연구는 비가역적인 공유결합을 통해서도 분자들이 자기조립해 특이한 구조체를 형성할 수 있고 블록 분자를 디자인하는 것에 따라서 원하는 구조체를 합성할 수 있음을 밝혀냈다는데 의미가 있다.

연구팀은 성우경 포스텍 물리과 교수와의 공동연구를 통해 이런 형성과정을 이론적으로도 명확하게 설명해 냈다.

김기문 연구단장은 이번 결과에 대해 "기존에는 불가능해보였던 비가역적인 공유결합을 통한 자기조립현상으로 원하는 구조체를 합성할 수 있다는 사실을 입증했다"면서 "보다 다양하고 안정적인 나노 및 마이크로 구조체를 손쉽게 합성하고 이를 활용할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다"고 의미를 부여했다.