[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[붙임. 연구결과 개요]

1. 연구배경

기계는 건축 및 기계 공학 분야를 비롯한 다양한 영역에서, 인류의 발전과 함께 진화해왔다. 기계 설계의 기본 원리는 기계의 기계적 동작이 일련의 기계 링크 구조에서 비롯된다는 사실에 기초한다. 와트, 스콧-러셀, 사러스, 베넷, 호버맨, 클랜 링크 등 각각의 링크는 독특한 기동성을 제공하며, 이는 곧 기계의 기능을 결정한다. 한편, 현재 기계는 다양한 규모로 발전해왔고, 마침내 분자 수준에 이르렀다. 분자 기계의 종류에는 로봇 팔, 회전문, 기어, 셔틀, 엘리베이터, 래칫, 모터, 펌프 등이 있으며, 이러한 기계는 나노 및 소프트 로보틱스, 분자 수송, 촉매 등 다양한 분야에서 그 중요성이 부각되고 있다. 그러나 복잡한 기계 링크 구조를 가진 고체 상태의 나노 기계를 개발하는 것은 여전히 큰 도전 과제이다.

2. 연구내용

분자 수준에서 기계처럼 작동하는 다공성 고체를 설계하기 위해 제올라이트 모방 다공성 고체(Zeolitic Imidazolate Framework, ZIF)는 이상적인 플랫폼으로 활용될 수 있다. 변형 능력과 다양한 구조로 인해 ZIF는 나노 규모의 기계를 설계하는 데 이상적인 기반이 될 수 있다. 이번 연구에서는 다공성 고체인 ZIF를 합성하고, ZIF 내부의 분자 기계 부품의 기계 링크 구조를 발견하는데 성공했다. 온도에 따른 단결정 싱크로트론 엑스레이 회절(Synchrotron X-ray diffraction) 실험을 통해 기계처럼 작동하는 ZIF의 메커니즘을 확인하고, 분자 기계 부품에 나노 스토퍼를 부착해 회전 메커니즘을 제어하였다. 또한, 이론적 계산(DFT calculation)을 통해 기계적 성질의 비등방성 및 ZIF 구조의 우수한 유연성을 확인했다.

3. 기대효과 

이번 연구를 통해 나노 단위로 제어 가능한 다공성 고체 기반 분자 기계를 개발하고, 기계 부품의 교체에 의한 기계적 특성 조절 가능성을 확인했다. 이는 기존에 보고된 다양한 ZIF 구조에서의 기계적 특성과 연관성을 생각할 수 있다.

[붙임. 용어설명]

1. 기계 링크 구조 (Mechanical Linkage)

기계 링크 구조는 두 개 이상의 고체 부품(링크, Link)을 연결하여 기계적 움직임을 만들어내는 시스템이다. 각 링크는 하나의 관절(조인트, Joint)로 연결되어 서로 상대적인 움직임이 가능하며, 이를 통해 다양한 형태의 운동을 구현할 수 있다. 이러한 링크 구조는 복잡한 기계 동작을 단순한 구성으로 재현할 수 있도록 해주며, 로봇 팔이나 엔진과 같은 다양한 기계 장치에서 핵심적인 역할을 한다.

2. 제올라이트 모방 다공성 물질 (Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)

제올라이트 모방 다공성 물질(ZIFs)은 금속 이온과 이미다졸레이트 리간드가 결합해 형성되는 구조체로, 제올라이트와 구조적 유사성을 공유한다. 제올라이트 모방 구조의 다양한 연결성에 따라 다양한 형태의 기공을 구현할 수 있다. 또한, ZIFs는 화학적, 열적 안정성이 높아 촉매, 가스 저장, 분리 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이러한 특징들로 인해 나노 기술 및 재료 과학 분야에서 주목받고 있다.

3. 분자 기계 (Molecular Machines)

분자 기계는 분자 수준에서 작동하는 작은 기계 구조로, 분자 또는 분자들의 조합으로 이루어져 있다. 이들은 고정된 부분(고정자, Stator)와 움직이는 부분(회전자, Rotor)으로 구성되며, 특정 화학 반응이나 외부 자극에 의해 움직이도록 설계된다. 분자 기계는 나노 기술의 혁신적인 도구로서, 물질 수송, 촉매, 분자 로봇과 같은 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 이를 통해 매우 작은 규모에서도 정밀하고 다양한 기계적 동작을 수행할 수 있다. 그러나 복잡한 기계 링크 구조를 가진 고체 상태의 나노 기계를 개발하는 것은 여전히 큰 도전 과제이다.

[붙임. 그림설명]

그림1. 개발된 다공성 고체 기반 분자 기계

금속 노드와 유기 리간드의 자가조립을 통해 합성된 제올라이트 모방 다공성 물질의 분자구조 그림이다. 이 구조는 기계 링크 구조 기반의 형태로 단순화 할 수 있으며, 기계의 작동 원리에 따라 구조의 유연성을 증명하였다.

그림2. ZIF 분자 기계의 회전 메커니즘

온도 변화에 반응하는 ZIF 분자 기계의 회전 운동 그림이다. 하단 그림에 주황색으로 표시된 각도는 온도가 상승하며 점차 커지며, ZIF를 이루는 분자 기계 부품들은 (초록색과 살구색) 금속 노드를 기준으로 맞물려 회전한다.

그림3. 분자 기계 부품 교체를 통한 회전 메커니즘 제어

유기 리간드 조절을 통한 분자 기계의 부품 교체 그림이다. 교체된 부품의 작용기가 스토퍼 역할을 하며, 회전 운동을 제어할 수 있다.

그림4. ZIF 분자 기계의 기계적 성질

DFT 계산 기반 ZIF 분자 기계의 기계적 성질을 나타내는 그래프이다. 왼쪽부터 순서대로 인장 탄성계수 (Young’s modulus), 선형 압축성 (Linear compressibility), 전단 탄성계수 (Shear modulus), 푸아송 비 (Poisson’s ratio)를 나타낸다. ZIF 분자 기계의 기계적 성질은 회전 메커니즘에서 비롯된 높은 비등방성을 지닌다. 또한, 같은 금속 노드와 유기 리간드로 조립된 다른 기계 링크 구조들보다 뛰어난 탄성력을 가진다.