다리 분자의 형태에 따른 직사각형과 나선형 백금-팔라듐 초분자의 선택적 합성

전남대학교 연구진이 화학계의 오랜 난제로 여겨졌던 백금과 팔라듐의 선택적 위치 제어에 성공하며 초분자 나노 소재 설계의 새로운 지평을 열었다.

전남대학교는 화학과 이준승 교수와 테사롤로 야코포(Tessarolo Jacopo) 교수 연구팀이 성질이 매우 유사해 선택적 배치가 불가능에 가깝던 백금과 팔라듐을 단일 단계 반응으로 특정 자리에 선택적으로 위치시킨 새로운 나선형 초분자(분자의 집합체) 합성에 성공했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 초분자 나노 소재 설계 분야에 중요한 이정표를 제시한 것으로 평가받으며, 국제적 권위의 학술지 『Angewandte Chemie International Edition』(IF=17.6) 온라인판에 지난 11월 8일 게재되었으며, 오는 12월 7일 정식 출판될 예정이다.

◆ 성질 유사한 백금·팔라듐, 선택적 결합의 한계를 넘다
주기율표상 같은 족에 속하는 백금과 팔라듐은 물리·화학적 성질이 매우 유사해 그동안 화학계에서는 이 두 금속을 원하는 위치에 선택적으로 결합시키고 배치하는 것이 극히 어려운 과제로 여겨져 왔다. 특히 이러한 선택적 결합을 단일 단계 반응으로 구현해 낸 사례는 지금까지 전 세계적으로 보고된 바가 없다.

연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 서로 다른 작용기를 포함하는 특별한 다리 분자를 디자인했다. 이 다리 분자의 각도를 미세하게 조절함으로써 2차원의 직사각형 구조뿐만 아니라 3차원의 나선형 팔라듐 분자를 손쉽게 합성할 수 있음을 규명했다.

특히 흥미로운 점은 이렇게 얻어진 나선형 분자가 내부에 키랄성(대칭면이 없어 거울상과 겹쳐지지 않는 성질) 분자를 전혀 포함하고 있지 않음에도 불구하고 고유한 키랄성을 가지는 나선형 구조를 띤다는 사실을 밝혀낸 것이다. 연구진은 여기에 추가로 키랄성 분자를 도입해 나선형 초분자의 키랄성이 더욱 효과적으로 유도될 수 있음을 확인했다.

◆ 세계 최초 '이종금속 초분자 단일 단계 선택적 배치' 달성
이번 연구의 가장 핵심적인 성과는 나선형 분자 구조 내에서 ‘축방향’과 ‘적도방향’에 위치한 금속 자리가 미세하게 다르다는 점을 예리하게 포착해 낸 데 있다.

연구진은 이 미세한 차이를 정교하게 이용하여 백금과 팔라듐을 각각 축방향과 적도방향의 금속 자리에 정확하게 나누어 배치하는 데 성공했다. 이는 초분자 내에서 백금과 팔라듐을 선택적으로 위치시킨 세계 최초의 사례로, 향후 다양한 이종금속 초분자를 디자인하고 합성하는 데 있어 매우 중요한 학술적 방향성을 제시했다.

간단한 다리 분자의 형태 조절만으로도 다양한 복합 분자와 초분자들을 선택적으로 합성할 수 있음을 입증함에 따라, 향후 신소재 개발, 촉매, 나노 바이오 등 다방면의 응용 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.

◆ 다학제적 협력과 지속적인 연구 지원의 결실
이번 연구는 전남대학교 화학과의 깊이 있는 연구 역량이 빚어낸 쾌거다. Rishny Moorkkathazhath, 마주원, 나지선, Sain Singh 박사가 공동 연구원으로 참여해 팀워크를 빛냈다.

아울러 이번 성과는 한국연구재단 이준승·테사롤로 교수의 연구 과제를 비롯해, 전남대학교 G-LAMP(Global-Local Advanced Materials Program) 프로그램 및 전남대 앵커사업단의 든든한 지원을 바탕으로 수행되어 산·학·연 및 대학 내부 지원 체계의 모범적인 시너지를 보여주었다.

전남대 연구진의 이번 혁신적인 나선형 초분자 합성 기술은 향후 나노 과학 기술 분야의 국가 경쟁력을 높이고, 차세대 첨단 신소재 개발에 가속도를 붙일 것으로 기대된다.