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뉴욕 시립 대학교(The City College of New York) 연구팀이 생물에서 영감을 받은 태양에너지 수확 재료를 안정화하기 위한 합성 전략을 시연함. 극심한 더위나 추위에도 불구하고 전 세계 거의 모든 곳에서 태양에너지를 활용하기 위해 노력하는 광합성 유기체를 찾을 수 있음. 빛을 효율적이고 강력하게 수확하는 방법에 대한 자연의 비밀을 밝혀내면 특히 지구 기온 상승의 여파로 확산되고 있는 지속 가능한 태양에너지 활용 기술의 풍경이 바뀔 수 있음. 광합성에서 첫 번째 단계(즉, 빛 수확)는 빛과 빛 수확 안테나 사이의 상호 작용을 포함하는 초분자 집합체로 알려진 깨지기 쉬운 물질로 구성됨. 잎이 많은 녹색 식물에서 작은 박테리아에 이르기까지 자연은 두 가지 구성 요소 시스템을 설계했음. 초분자 어셈블리는 단백질 또는 지질 스캐폴드 내에 내장되어 있음. 이 스캐폴드가 어떤 역할을 하는지 아직 명확하지 않지만 최근 연구에 따르면 자연이 이러한 정교한 단백질 환경을 진화시켜 깨지기 쉬운 초분자 집합체를 안정화시켰을 수 있음. 광합성 유기체에서 발견되는 복잡한 단백질 스캐폴드를 복제할 수는 없지만 연구팀은 인공 광 수확 안테나를 안정화하기 위해 보호용 스캐폴드의 기본 개념을 적용할 수 있었음. 지금까지 자연의 설계 원칙을 대규모 태양광 응용 프로그램으로 변환하는 것은 성공적이지 못했음. 실패는 현재 태양전지 아키텍처의 설계 패러다임에 있을 수 있음. 연구팀은 이미 존재하는 태양전지 설계를 개선하는 것을 목표로 하지 않았음. 그러나 연구팀은 자연의 걸작으로부터 배워서 완전히 새로운 태양에너지 수확 아키텍처에 영감을 받고 싶었음. 자연에서 영감을 받은 연구진은 작은 가교 분자가 초분자 집합체의 기능화에 대한 장벽을 극복할 수 있는 방법을 보여주었음. 그들은 실란 분자가 자체 조립되어 인공 초분자 광 수확 안테나 주위에 맞물리고 안정된 스캐폴드를 형성할 수 있음을 발견했음. 연구팀은 이러한 본질적으로 불안정한 재료가 이제 여러 번의 가열 및 냉각주기를 통해서도 장치에서 살아남을 수 있음을 보여주었음. 그들의 연구는 스캐폴드 디자인이 광 수확 특성을 방해하지 않으면서 극심한 온도 변동과 같은 환경 스트레스 요인에 대해 초분자 어셈블리를 안정화한다는 개념을 증명하였음.

본 연구 성과는 ‘Nature Chemistry’ ("Frenkel excitons in heat-stressed supramolecular nanocomposites enabled by tunable cage-like scaffolding") 지에 게재됨