분자 도미노를 넘어뜨린 연구

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-11-24 11:24:57
  • -
  • +
  • 인쇄
3'00"읽기
- 3년 전, 물리학자들은 통제된 방식으로 나노-도미노를 세우는 데 처음으로 성공
- 최근 수개월 간의 실험 끝에 그들은 그것을 다시 한번 무너뜨렸다.
- 3차원 분자 생산을 향한 중요한 단계 의미
- 그리 낮은 온도에서도 수직을 유지하는 보다 안정적인 분자 구조를 개발할 수 있어

분자가 있는 나노 도미노
기울어지는 분자가 어떻게 나노 기술에 도움이 될까


3년 전, 물리학자들은 통제된 방식으로 나노-도미노를 세우는 데 처음으로 성공했다.
평평한 분자는 은 표면에 똑바로 세워져 있었다. 최근 수개월 간의 실험 끝에 그들은 그것을 다시 한번 무너뜨렸다. 관련 연구보다 게임처럼 들리는 것이 중요한 목적을 충족시킨다. 즉 서 있는 분자는 나노 머신과 센서의 중요한 구성 요소가 될 수 있기 때문에 이들의 안정성과 어떤 힘이 영향을 미치는지 알아야 한다. 

▲ 분자 도미노가 넘어졌다. 이것은 미래의 나노 구성 요소가 얼마나 안정적이어야 하는지에 대해 물리학자들에게 많은 것을 알려준다. © Research Center Jülich / Christian Wagner

분자 기계, 나노 로봇 또는 양자 구성 요소이건 간에:
나노 기술의 목표는 개별 분자 또는 원자 구성 요소에서 작은 센서, 기계 그리고 단일 분자들 혹은 원 자 기타 구성 요소를 구성하는 것이다. 어셈블러. 일반적으로 기판은 이 나노 레고의 배경 역할을 한다.

3차원 나노 부품은 얼마나 안정적일까?

문제는 분자 구성 요소가 이 표면에 평평하게 놓여 있지 않고 똑바로 세워져 있고 염기에 약하게 결합돼 있는 경우에만 전체 기능을 나타낼 수 있다는 것이다. 2018년 연구진은 극저온 조건에서 은 표면에 제어된 방식으로 도미노 모양의 유기 분자를 배치한 다음 가장자리에 자리 잡고 세우는 데 처음으로 성공했다.

하지만 그러한 "도미노석(石)"을 더 큰 구조물에 연결하거나 실제로 적용하려면 다음과 같은 위치에서 합리적으로 안정적이어야 한다. 독일 율리히 연구소(Forschungszentrum Jülich)의 마르빈 크놀(Marvin Knol)과 그의 동료들은 "표면의 평평한 자리에 엄청난 양의 구조와 기능이 기다리고 있지만 안정성이 매우 중요하다"고 설명했다.
▲ 그림 1. 준안정 s-PTCDA 구성의 기하학 Ag(111) 표면(회색). (B) STM 이미지(-50 mV, 0.2 nA, 25 × 25 Å2)는 s-PTCDA의 6가지 관찰 가능한 방위각 방향 모두에 해당하며, 각각의 adatom 이량체 D1(파란색) 또는 D2(보라색)에 연결된다. 중앙 adatom(회색)은 모든 이량체의 일부다. 쌍으로 동일한 방위각 방향을 갖는 3개의 D2 이량체와 6개의 D1 이량체가 이러한 방식으로 형성될 수 있다. (C) 2개의 관찰된 아톰 받침대 D1 및 D2의 평면도 및 측면도, 맨 이량체(중앙 행) 및 PTCDA가 부착된 이량체(맨 위 행)에 대해 PBE + vdWsurf에 의해 계산된 아톰 거리가 있는 아톰 거리.(출처: 관련논문 The stabilization potential of a standing molecule / Science Advances)

넘어뜨리기 위해 가열

따라서 팀은 이제 도미노 분자를 스트레스 테스트에 적용하고 다시 넘어지는 경우와 그 이유를 조사했다. "우리의 경우 온도를 단계적으로 높여 분자를 점점 더 흔들어 마침내 분자가 쓰러질 때까지 계속했다"고 FZ Jülich의 Christian Wagner가 설명했다. 온도를 높이는 것은 분자와 그 염기에 에너지를 공급하고 이는 더 강한 진동으로 이어진다.

스캐닝 터널링 현미경을 사용하여 팀은 임계점에 도달한 시점을 관찰할 수 있었다.
그 결과 5도에서 14도까지 온도가 약 10도 상승하면 나노 도미노가 넘어지는 데 충분했다.
이것은 분자가 표면에 매우 약하게 결합돼 있음을 확인시켜준다.

▲ 주사 터널링 현미경에서는 나노 도미노가 누워 있는지 서 있는지 확인할 수 있다.

© Knol et al./ Science Advances, CC-by-sa 4.0


대립하는 두 세력

훨씬 더 중요한 것은 물리학자들이 도미노 분자의 안정성에 중요한 힘을 결정할 수 있다는 것이다. 이에 따르면, 도미노 분자의 불안정한 균형은 두 가지 상반된 효과의 상호 작용에 기반을 두고 있다. 원자 사이의 단거리 공유 결합과 나노 도미노와 기판 사이에도 작용하는 반-데르-발스(Van-der-Waals) 힘이다. 이 힘은 분자를 표면 위로 평평하게 되돌리려고 노력한다.

공동 저자인 Warwick 대학의 하인하르트 마우러(Reinhard Maurer)는 "분자가 뒤집히지 않도록 하는 상호 작용의 균형은 양자 화학 시뮬레이션 방법에 있어 극도로 미묘하고 실질적인 도전 과제다"며 "이 프로젝트는 어떤 기본 메커니즘이 그러한 특이한 나노구조를 안정화하는지 밝혀주었을 뿐만 아니라 방법을 개선하는 데 도움이 된다"고 설명했다.

미래의 나노구조물에 도움이 됨

연구팀의 의견으로는 얻은 통찰력은 3차원 분자 생산을 향한 중요한 단계를 의미하며, 새로운 발견을 기반으로 그리 낮은 온도에서도 수직을 유지하는 보다 안정적인 분자 구조를 개발할 수 있기 때문이다.
(Science Advances, 2021; doi: 10.1126 / sciadv.abj9751)

출처: Forschungszentrum Jülich, University of Warwick

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]

  • 글자크기
  • +
  • -
  • 인쇄
뉴스댓글 >

주요기사

+

많이 본 기사

Basic Science

+

Technology

+

Photos

+