화학자들은 키랄 구조를 만드는 새로운 방법을 개발했습니다.

일부 분자는 왼손과 오른손처럼 구조와 거울상이 겹쳐지지 않는 두 가지 형태로 존재합니다. 키랄성이라고 불리는 이는 이러한 분자가 비대칭으로 인해 갖는 특성입니다. 키랄 분자는 빛과 상호작용하는 방식 때문에 광학적으로 활성을 띠는 경향이 있습니다. 종종 자연에는 DNA와 같은 한 가지 형태의 키랄 분자만 존재합니다. 흥미롭게도 키랄 분자가 약물로 잘 작동한다면 그 거울상은 치료에 효과적이지 않을 수 있습니다.

캘리포니아 대학교 리버사이드 캠퍼스의 화학자들이 이끄는 연구팀은 실험실에서 인공적인 키랄성을 생성하려고 시도하면서 자기장의 분포 자체가 키랄성이라는 사실을 발견했습니다.

연구팀을 이끈 화학과 Yin Yadong 교수는 “우리는 막대 자석을 포함한 모든 자석에 의해 생성된 자기장 선이 키랄성을 갖는다는 것을 발견했습니다.”라고 말했습니다. “또한 우리는 자기장의 키랄 분포를 사용하여 나노입자를 키랄 구조를 형성하도록 유도할 수 있었습니다.”

전통적으로 연구자들은 키랄 분자를 생성하기 위해 "템플릿"을 사용해 왔습니다. 키랄 분자가 먼저 주형으로 사용됩니다. 그런 다음 아키랄(또는 비키랄) 나노입자가 이 템플릿에 조립되어 키랄 분자의 구조를 모방할 수 있습니다. 이 기술의 단점은 템플릿 분자의 특정 구성에 크게 의존하므로 보편적으로 적용할 수 없다는 것입니다. 또 다른 단점은 새로 형성된 키랄 구조가 전자 장치의 특정 위치에 쉽게 위치할 수 없다는 것입니다.

"그러나 광학 효과를 얻으려면 장치의 특정 위치를 차지할 키랄 분자가 필요합니다"라고 Yin은 말했습니다. “우리 기술은 이러한 단점을 극복합니다. 우리는 분자부터 나노 및 마이크로 구조에 이르기까지 모든 화학 조성의 물질을 자기적으로 조립하여 키랄 구조를 신속하게 형성할 수 있습니다."

Yin은 그의 팀 방법이 키랄성을 생성하기 위해 공간에서 지속적으로 회전하는 영구 자석을 사용한다고 설명했습니다. 그는 키랄성을 비키랄 분자로 전달하는 것은 도핑을 통해 이루어진다고 말했습니다. 즉, 키랄성을 유도하는 데 사용되는 자성 나노입자에 금속, 폴리머, 반도체 및 염료와 같은 게스트 종을 통합하는 것입니다.

연구 결과는 오늘 사이언스(Science) 저널에 게재됩니다.

Yin은 키랄 물질이 편광과 상호작용할 때 광학 효과를 얻는다고 말했습니다. 편광에서는 광파가 단일 평면에서 진동하여 빛의 전체 강도가 감소합니다. 결과적으로 선글라스의 편광 렌즈는 우리 눈의 눈부심을 차단하는 반면, 비편광 렌즈는 그렇지 않습니다.

“재료의 키랄 구조를 생성하는 자기장을 변경하면 키랄성을 변경할 수 있으며, 이는 편광 렌즈를 통해 관찰할 수 있는 다양한 색상을 생성합니다.”라고 Yin은 말했습니다. “이 색상 변화는 즉각적입니다. 또한 우리의 방법을 사용하면 키랄성을 즉시 사라지게 할 수 있어 신속한 키랄성 조정이 가능합니다.”

이번 연구 결과는 위조 방지 기술에 응용될 수 있습니다. 물체나 문서의 진위를 나타내는 키랄 패턴은 육안으로는 보이지 않지만 편광 렌즈를 통해 보면 보입니다. 이번 연구 결과의 다른 응용 분야는 감지 및 광전자 공학 분야입니다.

논문의 제1저자이자 Yin 연구실의 전 대학원생인 Zhiwei Li는 “우리 방법이 허용하는 키랄성의 조정 가능성을 활용함으로써 보다 정교한 광전자 장치를 만들 수 있다”고 말했습니다. "감각과 관련하여 우리의 방법은 암 및 바이러스 감염과 같은 특정 질병과 관련된 키랄 또는 키랄 분자를 신속하게 감지하는 데 사용될 수 있습니다."

Yin과 Li는 Qingsong Fan, Zuyang Ye, Chaolumen Wu 및 Zhongxiang Wang을 포함한 Yin 연구실의 대학원생 팀이 연구에 참여했습니다. Li는 현재 일리노이주 노스웨스턴 대학교에서 박사후 연구원으로 재직하고 있습니다.

이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation)의 Yin 연구비 지원으로 이루어졌습니다. UCR 기술 파트너십 사무소는 이 작업과 관련된 특허 출원을 제출했습니다.