일본 리켄 연구소(RIKEN Center for Sustainable Resource Science)와 도쿄대학(University of Tokyo)의 연구진은 간단한 중합 방법으로 벤젠 고리를 서로 연결해서 잘 정렬된 3차원 나선형 구조를 만들 수 있다는 것을 최초로 증명했다. “우리는 이 연구결과가 나노탄소(nanocarbon)와 재료과학에서 새로운 분야를 열 수 있을 것이라고 기대하고 있다”고 이번 연구진 중의 하나인 Koichiro Mikami가 말했다.
벤젠(C6H6)은 방향족 화합물 중에서 가장 간단한 형태를 가진다. 즉, 분자 주위를 돌고 있는 ‘편재된’ 전자로 둘러싸인 탄소 원자의 고리로 구성되어 있다. 과학자들의 오랜 과제 중 하나는 탄소 원자들이 구조 재료를 형성하기 위해서 인접한 고리와 직접적으로 결합하는 방식으로 벤젠 고리를 서로 연결할 수 있는 간단한 방법을 개발하는 것이다.
이번 연구진은 분자 아린(aryne)으로 시작하는 새로운 결합 방법을 개발했다. 아린은 벤젠과 매우 유사하지만, 고리 속에 두 개의 인접한 탄소 원자 간에 삼중 결합을 가진다. 많은 화학물질과 용매의 조합을 조사한 후에, 이번 연구진은 자기 전파형 중합 반응으로 오르토(ortho) 위치에 고리를 신뢰할 수 있게 연결하는 새로운 방법을 발견했다. 이 기술은 구리 이온들을 포함하는 결합 방법이다.
소위 poly(ortho-phenylene)라고 불리는 생성물은 벤젠 유도된 고리 위에 한 개 또는 더 이상의 수소 원자들의 위치에 서로 다른 원자들 또는 화학 기(chemical group)를 선택적으로 옮길 수 있는 가장 간단한 poly(ortho-arylene)의 일종이다. 이번 연구진은 그들의 poly(ortho-phenylene) 분자들이 6개의 탄소 고리가 적층되어 있는 균일하고 잘 정렬된 3 차원 구조를 가진다는 것을 발견했다. 이러한 매우 정렬된 재료들은 나노기술을 위한 구성요소로서 사용될 수 있는 화학적 빌딩 블록의 일종이다.
이런 중요한 연구결과를 가짐으로써, 이번 연구진은 이 기술로 조립할 수 있는 구조의 크기 및 다양성을 조사할 예정이다. 이번 연구진은 대략 100개의 고리를 서로 연결했고, 향후에 사슬 길이와 물리적 특성들을 제어하고 이것을 추가적으로 확장시킬 계획을 가지고 있다.
“우리는 새로운 전자장치와 액정을 만드는데 poly(ortho-phenylene)의 전기적, 광열적, 열적 특성들을 이용하려고 노력하고 있다”고 Mikami가 말했다. 나노복합물은 비계 구조(scaffolding structure)로 사용될 수 있고 빛, 전기장, 기타 화학물질의 존재 하에서 흥미로운 특성들을 가질 수 있다. 이번 연구진은 각각의 나선형 사슬 간의 화학적 교차 결합을 형성하는 방법을 조사하고 있는데, 이것은 이 나노복합물을 다른 차원의 구조로 제조할 수 있게 할 것이다.
이 연구결과는 Journal of the American Chemical Society에 “Aryne Polymerization Enabling Straightforward Synthesis of Elusive Poly(ortho-arylene)s” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/ja5112207).
그림. 정렬된 나선형 구조로 조립되기 위해서 구리 촉매로 반응시킨 아린.
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-03-04
