KIC News, Volume 18, No. 1, 2015
KIC News, Volume 18, No. 1, 2015 89
출처 : 2014.12.30 RIKEN(http://www.riken.jp/pr/press/2014/20141230_1/) 작성 : 소 대 섭(한국과학기술정보연구원)
NIMS, 세계 최초로 분자의 자기 조직화 시간 제어에 성공 - 사전 프로그램대로 조직화가 자율적으로 진행되는 재료 개발 -
일본 물질⋅재료연구기구(NIMS) 첨단적공통기술부문 고분자재료유닛 스기야스 카즈노리(杉安和憲) 연 구원 등은 측쇄(側鎖)를 바꾼 분자를 혼합함으로써 분자가 자발적으로 집합하는 현상(자기 조직화) 시작 시 간을 제어하고 사전에 프로그래밍한 대로 자기 조직화를 추진하는 방법을 개발했다.
분자의 자기 조직화는 자연계에서 널리 발견되며 광합성이나 신경 회로 등 복잡한 기능을 발휘하는 시스 템 구축에 빠뜨릴 수 없는 현상이다. 고도의 기능을 발휘하는 분자의 자기 조직화 현상을 이용해 새로운 재료의 개발이 시도되고 있다. 하지만 자기 조직화는 자발적으로 진행되기 때문에 전적으로 분자에게 의지 되는데, 이를 의도적으로 제어하는 것은 매우 어렵다. 특히, 자기 조직화의 시작 시간을 제어하는 등 현상 을 시간적으로 관리하는 연구는 거의 진행되지 않았다.
연구진은 2종류의 자기 조직화 구조를 가진 분자를 이용하여 연구했다. 한편의 자기 조직화 구조는 신속 히 생기는데 에너지적으로 안정된 것이 아니며 최종적으로는 에너지적으로 보다 안정된 다른 편의 자기 조 직화 구조가 일정 시간 경과 후에 형성된다. 이 분자의 측쇄를 바꿈으로써 에너지의 안정 상태를 역전시켜 재빨리 생기는 자기 조직화 구조만을 형성하는 분자도 만들 수 있었다. 이 2종류의 분자의 혼합 비율을 바 꿈으로써 처음의 에너지적으로 안정된 구조에 대한 자기 조직화를 시작하는 시간을 제어하는 데 세계 최초 로 성공했다. 이번에 성공한 시간적 제어는 복수의 화학종이 만들어 낸 분자의 네트워크에 의해 조직화가 진행되고 있다는 점에서 생체의 ‘체내 시계’의 메커니즘과 유사하다.
자기 조직화는 재료 과학, 나노 테크놀로지, 바이오 테크놀로지 등 다방면에 매우 중요한 개념으로 물질 의 새로운 합성법이 크게 주목받고 있다. 연구진은 향후 본 개발법을 응용해 원하는 타이밍에서 발광시키 거나 전도성을 변화시키는 고도의 시스템 구축을 목표로 하고 있다. 생명 분자 시스템처럼 시간의 경과와 외계의 환경 변화에 따라 자율적으로 기능하는 스마트 재료로의 전개가 기대된다.
본 연구 성과는 독일 화학지 Angewandte Chemie International Edition에 게재되었다(※ 발표논문 참조).
※ 발표논문: S. Ogi, T. Fukui, M. L. Jue, M. Takeuchi, K. Sugiyasu, “Kinetic control over pathway complexity in supramolecular polymerization through modulating the energy landscape by rational molecular design”, Angew. Chem. Int. Ed., 29 OCT 2014.
DOI: 10.1002/anie.201407302.
http://www.ksiec.or.kr
90 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015
Figure. (a) 이전에 보고된 포르피린 분자 1. (b) 포르피린 분자 1이 관여할 수 있는 2 종류의 자기 조직화. 입자상 구조가 초기에 형성되지만, 시간이 지남에 따라 입자상 구조는 사라지고 섬유상 구조가 형성된다. (c) 분자 1의 섬유질 구조로 자 기 조직화는 약 4시간 후에 시작한다.
출처 : 2014.11.26 NIMS(http://www.nims.go.jp/news/press/2014/11/201411260.html) 작성 : 소 대 섭(한국과학기술정보연구원)
토호쿠대, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 수소 발생 전극 개발 - 다공질 그래핀으로 수소를 저비용, 대량으로 발생 -
일본 과학기술진흥기구(JST) 전략적창조연구추진사업의 일환으로, 토호쿠대학(東北大学) 원자분자재료 과학 고등연구기구의 이토 요시카즈(伊藤良一) 조교, 첸 밍웨이(陳 明偉) 교수 등은 3차원 구조를 갖는 그 래핀에 의한 고성능 수소 발생 전극을 개발했다.
수소는 청정에너지 매체로서 기대되며 제조, 수송, 저장 등의 분야에서 기술 개발이 진행되고 있다. 그 중에서 수소 스테이션 등에서 수소를 ‘그 자리에서 바로 발생’시켜 공급하는 방법이 주목받아 왔는데, 이를 위한 물의 전기 분해법에는 에너지 이용 효율의 향상이나 전극의 소형화 등의 과제가 있다. 또한, 수소 발 생용 전극 재료로서는 백금이 가장 뛰어나지만 비용이 높아 백금을 대신할 대체 재료(니켈 등)의 개발이 기 대되고 있다.
연구자들은 평판 전극에 비해 단위 촉매 체적당 표면적을 500배 정도까지 증대시켜 질소와 황을 소량 첨가한 ‘3차원 나노 다공질 그래핀’을 제작하는 데 성공, 그 전극 특성을 측정한 결과 수소 발생 전극으로서 기능하는 것을 발견했다. 또 이 전극은 현재 백금 대체 금속으로 기대되고 있는 니켈과 동등한 전기 에너지 로 수소를 발생하는 것을 알아냈다.
본 연구 성과는 귀금속을 포함한 금속 원소를 포함하지 않는 3차원 나노 다공질 그래핀 전극의 유효성을 나타낸 것으로, 그 다공성 구조로 인해 큰 표면적을 갖기 때문에 전극 및 장치의 소형화로 이어질 가능성이 시사되며 향후 수소 이용 촉진에 기여할 것으로 기대된다.
