나노기술 및 정책 정보

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생물학적 시스템은 모든 모양, 크기 및 구조로 제공됨. DNA, RNA 및 단백질에서 발견되는 것과 같은 이러한 구조 중 일부는 무기 물질에 의해 쉽게 복제되지 않는 복잡한 분자 상호 작용을 통해 형성됨.

코넬 대학교(Cornell University) 연구팀이 다양한 길이 규모에서 이러한 복잡한 생물계 구조를 자기 조립하고 모방할 수 있는 나노 규모의 구리 분자 클러스터를 결합하고 적층하는 방법을 발견함. 이러한 클러스터는 기존 재료가 제공하지 못하는 새로운 촉매 특성을 개발하기 위한 플랫폼을 제공함. 나노 클러스터 코어는 프로펠러 블레이드처럼 각진 리간드로 알려진 특수 결합 분자가 장착된 두 개의 구리 캡에 연결됨. 무기 클러스터를 생성하고 원자 위치를 정확하게 배치할 수 있다는 것은 비교적 새로운 영역으로, 무기 클러스터는 유기 분자처럼 조직화된 결정으로 쉽게 조립되지 않기 때문임. 따라서 연구팀이 이들을 조립했을 때 전혀 예상치 못한 계층적 조직이 되었음. 이 작업은 단백질과 같은 생물 시스템이 어떻게 스스로 조립되어 2차 구조 조직을 만드는지에 대한 근본적인 이해를 제공할 수 있으며, 생체 시스템을 모방하여 무언가를 만들 수 있는 기회를 제공할 것으로 기대됨. 나노 클러스터는 서로 맞물리는 키랄 디자인을 가진 세 가지 수준의 조직을 가지고 있음. 두 개의 구리 캡에는 프로펠러 블레이드처럼 각진 리간드로 알려진 특수 결합 분자가 장착되어 있으며 한 세트는 시계 방향으로 기울고 다른 세트는 시계 반대 방향(또는 왼손잡이 및 오른 손잡이)으로 모두 코어에 연결됨. 구리 클러스터는 황과 연결되어 있고 산화 상태가 혼합되어 화학 반응에서 더 활발하게 작동할 수 있음. 클러스터의 유연하고 적응력이 뛰어난 특성으로 인해 대사 및 효소 과정의 잠재적 후보가 될 뿐만 아니라 촉매 작용을 통해 화학 반응을 촉진시킬 수 있음. 예를 들어 이산화탄소를 알코올과 탄화수소로 환원시킬 수 있음. 연구팀은 천연 효소의 특징을 가진 촉매 물질을 개발하려고 하였음. 연구팀이 개발한 클러스터에는 구리 원자가 13 개만 있기 때문에 수백 또는 수천 개의 원자를 가진 나노 입자보다 훨씬 더 용이하게 제어할 수 있었음. 이 높은 수준의 제어를 통해 체계적인 방식으로 클러스터를 구축하여, 각 원자가 반응에 참여하는 방법과 더 나은 것을 합리적으로 설계하는 방법을 밝히는 데 도움이 될 수 있었음. 연구팀은 이것을 효소의 특징에 이르는 다리로 삼아, 원자가 정확한 방식으로 조립되어 고도로 선택적인 촉매 작용을 가능하게 할 수 있었음.

본 연구 성과는 ‘Journal of the American Chemical Society’ (“Tertiary Hierarchical Complexity in Assemblies of Sulfur-Bridged Metal Chiral Clusters”) 지에 게재됨