화학 아르키메디안 다면체의 자가조립(Self-assembly)

2015.10.01 22:06

아르키메디안 다면체의 자가조립(Self-assembly) http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015070035&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-07-06

이제 많은 화학자들이 금속에 의해 둘러싸여 아르키메디안 입체(Archimedean cuboctahedron)를 형성할 수 있는 X형태의 유기 빌딩 블록(organic building block)을 개발하기 위해 칠판으로 달려갈지도 모르겠다.

Angewandte Chemie에 실린 논문에서, 연구자들은 농도를 변화시키거나 서로 다른 카운터이온(counterion)을 이용함으로써 다면체가 쉽게 두 개의 8면체(octahedra)로 쪼개질 수 있다는 것을 보여주었다. 아르키메디안 다면체(Archimedean polyhedra)는 대칭을 이루고 있는 고체로 12개의 오각형과 20개의 육각형 모양으로 구성되어 있는 전통적인 축구공과 같이 수직에 대해 각은 면과 같은 각을 지닌 규칙적인 다면체이다. 이러한 구조는 또한 자연계에서도 발견된다.

이러한 구조는 많은 바이러스들의 껍질(capsid)이나 세포 수송체에서도 발견되며 이들은 모두 아르키메디안 다면체의 모양을 하고 있다. 이러한 생물학적인 형태는 개개의 단백질 빌딩 블럭의 자가조립에 의해 이루어진다. 많은 화학자들이 이 개념을 이용해 서로서로 연결되어 있는 거대 분자 케이지를 합성해왔다.

Chrys Wesdemiotis와 George R. Newkome이 주도하고 있는 한 연구팀이 성공적으로 유기분자와 금속 이온으로 구성되어 있는 6nm의 육팔면체(cuboctahedron)를 만들어내는데 성공했다. 하나의 육팔면체는 8개의 삼각형과 6개의 사각형으로 이루어져 있다. 개념적인 시작 재료는 X형태의 유기 빌딩 블럭으로 표면은 육팔면체의 모양을 하고 있으며 60도와 90도 사이에서 정확한 각을 이루고 있다. 여기에는 또한 금속 이온들이 곳곳에 결합되어 있다.

12개의 X형태의 터피리딘(terpyridine) 리간드와 24개의 금속 이온(황 혹은 카드뮴)을 이용해, 연구자들은 개개의 빌딩 블럭에서 자가조립된 cuboctahedra를 만들 수 있었다. 아크론대(University of Akron), 시카고대(University of Chicago), 사우스 플로리다대(University of South Florida), 플로리다 아틀랜틱대(Florida Atlantic University), 도쿄대(University of Tokyo), 텐진공대(Tianjin University of Technology)의 연구자들로 구성된 한 연구팀은 다양한 분광학적 기술, 모델 계산, 단일결정분석 등을 이용해 관련 연구를 진행했다. 그들은 또한 전자 현미경을 이용해 개개의 분자의 모양을 관찰할 수 있었다.

이러한 과정을 통해 그들이 발견한 하나의 새로운 사실은 농도가 감소되는 경우 cuboctahedra가 두 개의 8면체로 쪼개진다는 사실이다. 만약 그 용액의 농도가 다시 증가한다면 그 8면체들은 재결합해 cuboctahedra를 형성한다. 이러한 과정은 또한 서로 다른 카운터이온들 사이의 스위칭에 의해서도 일어난다. 이 새로운 과정은 재료 과학 분야에 응용이 가능한 다양한 나노크기의 빌딩 블럭을 생산하는데도 이용이 가능하다. 또한 황 cuboctahedra는 약물 전달을 위한 전달 시스템에도 이용 가능하다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 " "Precise Molecular Fission and Fusion: Quantitative Self-Assembly and Chemistry of a Metallo-Cuboctahedron." Angew. Chem. Int. Ed.. DOI: 10.1002/anie.201503609"를 참고하기 바란다.

그림: 연구자들이 개발한 다양한 아르키메디안 다면체의 구조

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[출처] http://phys.org/news/2015-07-self-assembly-molecular-archimedean-polyhedra.html

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