[한국기술뉴스] 고려대학교(총장 정진택) KU-KIST 융합대학원 융합에너지공학과 김용주 교수팀은 세포막의 거동을 모방하여 2차원 평면 구조에서 3차원 나노 소포 구조로 스스로 변하는 2차원 초분자 신소재를 개발하고 그 메커니즘을 규명했다.

세포막은 지질 분자들이 자가 조립(self-assembly)된 자연계에 존재하는 대표적 2차원 초분자로 외부 환경 변화를 인지하여 그 구조와 기능을 스스로 가역적으로 바꾸는 특징을 지닌다. 특히, 세포막은 2차원 평면 구조와 3차원 소포 사이의 가역적인 구조 변화를 통해 생체 내 다양한 기능을 수행하고 있다. 그러나 이러한 세포막의 흥미로운 거동이 분자 수준에서 정확하게 이해되지 않고 있어 세포막을 모방한 다목적 소재 개발 연구에 제약을 지니고 있다.

이번 연구에서는 π-전자 밀도에서 차이가 나는 두 방향족 화합물의 donor-acceptor 상호작용을 활용하여 수용액 상에서 수 마이크로미터 길이와 2 nm의 두께를 지니는 초박막 2차원 신소재를 개발했다. 연구진은 2차원 평면 구조가 시간이 지남에 따라 스스로 구조를 바꾸어 평면 소재 표면에서 봉오리를 형성하고 궁극적으로는 매우 일정한 사이즈의 나노 소포로 변환됨을 보였다. 이러한 결과는 세포막의 거동을 그대로 모방한 차세대 2차원 신소재 개발이라고 볼 수 있다.

연구진은 핵자기공명 분광법, 자외선 흡수 분광법과 같은 각종 분광법과 분자 시뮬레이션, 전자현미경 분석 등을 활용하여 분자 수준에서의 정확한 이해를 바탕으로 2차원 평면 구조의 나노 소포 변환 메커니즘를 다음과 같이 밝혀내었다. 초기에 형성된 2차원 구조 표면에는 암모늄 양이온이 노출되어 있다. 이 양이온 사이의 정전기적 반발력을 줄이기 위하여 자발적으로 암모늄 작용기에서 탈양성자화가 일어나게 된다. 탈양성자화된 중성 아민 작용기는 이웃한 암모늄 작용기들과 수소결합을 형성하고 이를 통해 반발력에서 인력으로 분자 간 상호작용 역전이 발생하게 된다. 이렇게 윗면과 아랫면 사이에서 유발된 평면 소재 굽힘 현상을 일으켜 구조 표면에 봉오리를 형성시킨다. 이러한 과정이 시간이 지남에 따라 점차 진행되어 일주일 뒤에는 모든 평면 구조가 사라지고 나노 소포로 스스로 변하는 것을 확인하였다. 흥미롭게도 생성된 나노 소포는 산성 조건에서 소포 간의 융합을 통하여 다시 2차원 구조로 돌아갈 수 있음을 보여주었다.

이번 연구에서 개발한 새로운 2차원 평면 소재는 다양한 물질들을 자발적으로 스스로 포집할 수 특성을 지니고 있어 차세대 약물 전달 시스템과 mRNA백신을 위한 나노전달체로 활용될 예정이다. 게다가 본 연구에서 밝혀낸 분자 간의 상호작용 및 거동의 이해는 추후 새로운 스마트 소재 연구 개발을 위한 중요한 발판을 마련할 것으로 기대된다.

한국연구재단 (개인기초연구사업과 기초연구실지원사업)과 KU-KIST 사업의 지원을 받아 수행한 이번 연구는 화학분야 권위 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 2022년 9월 13일자로 온라인 게재됐다.