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은(Silber)플레이트에서 2nm미터 길이 분자가 150nm 이동.
화학 반응의 분자 역학과 관련된 물리적 및 화학적 프로세스에 대한 통찰력 갖게 돼.

분자 ‘전신’성공
연구원들은 마치 레일에 있는 것처럼 분자를 목적지까지 정확하게 앞뒤로 보낸다.

나노 캐리어를 향한 첫걸음?
연구자들이 처음으로 마치 레일에 있는 것처럼 직선으로 표면을 가로질러 앞뒤로 분자를 보냈다. 2nm(나노미터) 길이의 분자는 코스에서 벗어나지 않고 150나노미터까지 달렸다.
이 기술은 분자 운동에 대한 새로운 관점을 가능하게 하고 분자 구성 요소를 운반하는 나노 머신으로 이어질 수도 있다. 과학자들이 전문 저널 "Science"에 보고한 내용이다.

▲ 분자 전신을 움직이게 하는 것은 막대 모양의 유기 분자와 주사 터널링 현미경이다.© Leonhard Grill/University Graz

나노 자동차, 분자 모터 또는 나노 규모의 잠수함 :
나노 머신은 미래의 기술이 될 수 있다. 이러한 분자 로봇의 도움으로 매우 복잡한 부품도 극도로 소형화된 형태로 구성 할 수 있기 때문이다. 분자 도우미가 자체 조직되거나 원하는 구성 요소를 외부에서 제어하는 ​​방식으로 나노 척도의 전체 공장도 상상할 수 있다.

직접 전송의 문제

이를 위한 전제 조건은 이러한 나노 머신을 표적 방식으로 제어할 수 있어야 한다는 것이다. 예를 들어, 원천에서 원거리를 거쳐 ‘건설 현장’으로 분자를 구체적으로 수송하는 것이 가능해야 한다. 이를 위해 일종의 나노 캐리어가 사용될 수 있는데, 이는 기관차와 같은 고정된 경로를 구동하고 원하는 분자가 단순히 부착된다.

문제는 분자의 고유한 움직임과 가장 작은 방해 영향을 따르는 것이 정확한 운동 제어를 어렵게 만든다는 것이다. 단단한 표면에서는 전기장이나 자기장에 의해 대략 한 방향으로 조종할 수 있다. 그러나 지금까지보다 정밀한 제어는 분자를 원자 핀셋이나 주사터널링현미경의 끝으로 직접 잡아 움직일 때만 가능했다.

은 플레이트의 분자 수송

그라츠 대학의 도나토 치비타(Donato Civita)와 동료들이 실험한 것처럼 또 다른 방법이 있다.
처음으로 그들은 분자를 더 먼 거리에 걸쳐 직선으로 보내고 목적지까지 다시 보내는 데 성공했다. 표면은 부드러운 은층으로 이루어져 있지만 분자는 마치 송신기와 수신기 사이의 레일에 있는 것처럼 목적한 방향으로 직선으로 움직였다.

▲ dibromoterfluorene 분자의 화학구조는 '수송 특성'에 유리하다. © Leonard Grill / 그라츠 대학교

이는 수송체 분자의 특수한 특성과 주사터널링현미경(RTM)의 두 끝을 사용해 가능했다.
연구진은 유연하게 결합된 3개의 플루오렌 단위와 각 끝에 브롬 원자로 구성된 실 모양의 분자인 DBTF(Dibromoterfluoren,디브로모터플루오렌)을 수송체로 사용했다.
약 2nm 길이의 이 분자는 처음에는 원래 형태로 움직이지 않지만 쌍극자 특성 덕분에 전기장에 반응한다.

레일 위와 같은 원자 열을 따라

전송은 RTM-끝이 수송 분자를 특정 방향으로 회전할 때 시작된다.
결과적으로 은 염기의 원자 열과 정확히 평행한다.
송신기 첨단이 반발하는 전기장을 생성하지만 더 먼 수신기 뾰족 부분이 매력적인 전기장을 생성하면 DBTF 분자는 마치 마술처럼 완벽하게 직선으로 은색 원자 열을 따라 한 끝에서 다른 끝으로 이동한다.

그라츠 대학의 선임 저자 레오나르도 그릴(Leonhard Grill)은 "표면은 원자적으로 평평하지만 분자는 한 방향으로만 이동해 단일 원자 열을 따라 움직인다"고 보고했다.

주사 터널링 현미경 이미지에서 이 움직임은 어두운 금속 배경에 직선의 밝은 줄무늬로 볼 수 있다. 분자는 이 앞뒤로 자신의 길이의 75배인 최대 150나노미터의 거리를 이동했다.

▲ 실험 설정(왼쪽) 및 STM에서 볼 수있는 분자 수송의 추적. © Leonard Grill / 그라츠 대학교

"이 과정에서 분자가 이를 위해 필요한 시간을 측정하여 속도를 결정할 수 있었다"고 Grill은 말했다. 이에 따르면, 이 ‘분자 우편물’은 적어도 초당 0.25mm의 속도에 도달한다.

기초 연구와 나노 기술을 위한 새로운 기회

이 기술은 이제 기초 연구와 나노 기술 응용 모두를 위한 모든 범위의 새로운 가능성을 열어준다. "개별 분자의 움직임을 연구함으로써 우리는 화학 반응의 분자 역학과 관련된 물리적 및 화학적 프로세스에 대한 통찰력을 얻는다"고 Grill은 설명했다.
동시에, 특정 분자 단위와 그 정보는 더 먼 거리에 걸쳐 높은 정밀도로 ‘전송’될 수 있다.

뮌헨 공과 대학의 프리드리히 에쉬(Friderich Esch)와 바르바라 레쉬너(Barbara Lechner)는 Grill과 그의 팀의 작업을 중요한 단계로 보고 있다.
"이 실험은 원자화물을 전송할 수 있는 거의 이상적인 송신기-수신기 구성을 나타낸다"고 그들은 첨부된 문서에 썼다. 이것은 더 복잡한 구성 요소의 구성을 위한 나노 캐리어를 향한 첫 번째 단계가 될 수 있다. “가능성은 무한할 것이다. 흥미로운 시간이 앞에 놓여 있다”고 그들은 결론을 내렸다.
(Science, 2020; doi : 10.1126 / science.abd0696)
출처 : University of Graz, Science

[더사이언스플러스] "No Science, No Future"

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