나노기술 및 정책 정보

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● 일본 쿠마모토대학교의 요시모토 소이치로 교수 연구팀이 자기 조직화하는 것으로 알려진 티올(thiol) 분자를 금 기판 위에서 자기조직화시키지 않고 특정 위치에 흡착시키는 방법을 발견

● 연구진은 나노 그래핀의 하나인 오발렌(ovalene) 분자의 저대칭성 구조가 발현하는 특수한 2차원 구조를 전극 표면에서 제어함으로써, 티올 분자 1개를 흡착할 수 있는 사이트를 형성

● 전기화학 주사형터널현미경(EC-STM)을 이용하여 금 전극 표면에 제작한 오발렌 분자 막의 분자 스케일을 관찰한 결과, 세계 최초로 나노 크기 공극에 고립화된 티올 분자를 흡착·제어하는 ​​데 성공했음을 확인

● 연구진은 오발렌이 용해된 유기 용매에 금 단결정 기판을 소정 시간 침지하여 오발렌 단분자 막을 제작하였으며, 전기화학 주사형터널현미경을 이용하여 수용액 중에서 전극 표면의 구조를 관찰

● 본 용액에 티올 분자를 투입하고 계속해서 관찰한 결과, 산성 용액 중에서 전극의 전위에 의해 오발렌 단분자 막의 구조가 변화하는 것을 발견하였으며, 인접해 있는 오발렌 분자가 60°씩 회전하고 있음을 확인함

● 이러한 규칙적인 회전에 의해 오발렌 분자 3개가 형성하는 나노 크기 공극(대략 0.3nm)이 형성되는데, 이는 금 원자 1개 정도의 크기로 티올 분자의 황 부위가 흡착되는 데 적절한 사이트이며 여기에 티올 분자 1개만이 흡착됨

● 흡착율의 차이는 있지만 티올 분자의 말단에 카르복실산(carboxylic acid), 피리딘(pyridine), 피라진(pyrazine) 등의 기능 부위를 갖는 분자군은 모두 같은 간격으로 고립된 상태를 나타내었으며, 물리적 흡착으로 형성된 오발렌 단분자 막과 금과 황의 결합 형성에 의한 화학 흡착이 균형 잡힌 ‘공흡착(coadsorption) 구조’라 할 수 있음

● 본 연구에서 발견된 ‘분자를 이식하는’ 방법은 다양한 기능을 갖는 티올 분자에 적용이 가능하며, 고립화된 분자 물성의 규명을 비롯한 정밀 분자 디자인에 의한 분자 수준의 패터닝, 3차원 나노 구조체 형성을 위한 토대가 되어 향후 새로운 전자 디바이스 개발에 기여할 것으로 기대

※ Chemical Science 게재(2022.04.08), “Molecular planting of a single organothiol into a “gap-site” of a 2D patterned adlayer in an electrochemical environment”