트위스트를 밝히다: 초분자 키랄성의 빛 구동 반전

분자 과학에서 자기 조립 또는 자기 조직화는 분자들이 자발적으로 모여 질서 있는 구조를 형성하는 현상을 말하며, 광학 및 전자 소재 개발에 사용되는 재료의 고유한 특성입니다. 이러한 특성을 미세 조정하기 위한 한 걸음으로, 일본 연구진은 소량의 잔류 응집체가 광반응 분자의 자기 조립 과정을 극적으로 변화시키는 기술을 성공적으로 규명했습니다.

연구팀은 치바대학교 대학원 공학연구과 야가이 시키 교수를 필두로, 당시 나고야대학교의 사이토 타쿠호 조교수(연구 당시), 이누에 다이스케 씨, 도호쿠대학교의 기타모토 유이치 조교수가 주요 기여자로 참여했습니다. 연구 결과는 2025년 4월 11일 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 에 온라인으로 게재되었습니다.

최근 몇 년 동안, 원하는 특성을 가진 응집체를 얻는 데 도움이 될 수 있는 자가 조립 응집체의 크기와 계층 구조를 제어하는 ​​연구에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 그러나 자가 조립은 역동적인 과정이며 정밀한 제어가 필요합니다. 야가이 교수는 "자가 조립 과정에서 분자들은 반복적으로 결합과 분리를 반복합니다."라고 설명하며, "미세한 불순물이나 조건의 미세한 변화조차도 형성된 응집체의 최종 구조에 영향을 미칠 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

이 연구를 위해 연구팀은 자연적으로 좌선성 나선 응집체를 형성하는 키랄 광반응성 아조벤젠의 자가 조립에 집중했습니다. 연구팀은 용액 내 소량의 잔류 응집체가 조립 과정에 급격한 변화를 유도하여 오히려 우선성 나선 응집체를 형성한다는 것을 발견했습니다.

또한, 광반응성을 가지므로 빛에 대한 노출을 조절하면 분자 조립의 타이밍도 조절됩니다. 연구진은 이 두 가지 특성을 정밀하게 제어하여 필요에 따라 좌선성 또는 우선성 나선 응집체의 형성을 성공적으로 조절했습니다.

분광학 및 분자 모델링 연구에서 연구팀은 가위 모양의 아조벤젠 분자를 실온에서 유기 용매에 용해시키면 닫힌 가위 모양의 접힌 구조를 형성하고, 이 구조가 나선형 구조로 확장된다는 것을 발견했습니다. 야가이 교수는 왼손잡이 구조의 형성에 대해 "이 분자는 네 개의 서로 다른 원자단을 가진 탄소 원자를 포함하고 있어 키랄성을 나타냅니다. 이 분자들은 왼손잡이 가위처럼 접히고 꼬여 왼손잡이 나선형 구조를 형성합니다."라고 설명했습니다.

이들은 광반응성 분자이기 때문에, 적층된 나선형 구조가 약한 자외선(UV)에 노출되면 나선형 구조가 다시 개별 분자로 분해되고, 이후 가시광선에 노출되면 분자들이 다시 나선형 구조로 재조립됩니다.

흥미롭게도, 특정 조건에서 생성된 나선형 응집체는 좌선성(left-handed)이 아닌 우선성(right-handed)을 띠는 것으로 나타났으며, 더 강한 자외선에 노출된 후 가시광선에 노출되자 원래의 좌선성 나선형 응집체가 재생성되었습니다.

연구팀은 이 메커니즘을 면밀히 조사하여 용액을 약한 자외선에 노출시켰을 때, 변화되지 않은 소량의 좌선성 나선형 응집체가 잔류하며, 이 응집체들이 핵 생성 지점 역할을 하여 반대 방향의 나선형 조립체를 형성한다는 것을 발견했습니다. 야가이 교수는 "이 놀라운 현상을 '2차 핵 생성'이라고 하는데, 이는 좌선성 응집체 대신 준안정한 우선성 응집체가 더 잘 형성되는 이유를 설명합니다."라고 말했습니다.

이 외에도 연구팀은 분자 조립 과정에서 빛의 세기가 어떤 역할을 하는지 밝혀냈습니다. 야가이 교수는 "가시광선의 세기가 조립 시기에 잠재적으로 영향을 미친다는 것을 확인했습니다. 강한 가시광선은 잔류 응집체의 영향을 최소화하면서 빠른 조립을 촉진했습니다. 반대로, 약한 세기는 잔류 응집체의 영향을 증폭시켰습니다."라고 설명했습니다.

따라서 연구진은 자외선과 가시광선의 세기를 최적화함으로써 잔류 응집체의 영향에 따라 좌우 나선 구조 간의 전환을 성공적으로 제어했습니다. 또한, 안정적인 좌선성 응집체와 준안정성 우선성 응집체는 반대 전자 스핀 편극을 보이는데, 이는 나선 구조의 전자적 특성이 조절됨을 의미합니다.

전반적으로 이 연구는 잔류 응집체의 중요한 역할을 탐구하고, 빛을 이용한 미세 조정을 통해 어떻게 새로운 기능성 소재를 제작할 수 있는지 설명하여 재료 과학 분야에 유망한 통찰력을 제공하는 것을 목표로 했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250411105900.htm