포스텍 화학과 단분자표면화학연구실

저희 연구실에서는 주사터널현미경 (scanning tunneling microscope) 등의 local probe를 이용하여 단분자 수준에서 화학적 현상들을 연구합니다. 단분자 실험의 장점은 (1) 수많은 분자(ensemble) 측정에서는 평균화되어 가려진 분자 각각의 움직임과 반응을 단분자 측정에서는 직접적으로 확인할 수 있다는 것, (2) 분자 하나가 기본 단위가 되는 단분자 모터 및 기기 개발로 이어질 수 있다는 점입니다. 아래 이미지는 주사터널현미경이 화학 연구에서 할 수 있는 일들을 (저희 연구 업적 위주로) 보여줍니다. (왼쪽부터 오른쪽으로) 주사터널현미경의 작동원리, 미세한 분자 및 작용기의 차이를 구분, 광학비대칭 분자 이미징, 단분자 스위치 측정 및 조작. 단분자 모터 혹은 단분자 기계는 분자 하나가 운동기관으로 작동하여 회전, 이동, 분자전달 등 여러 기능을 수행하는 요소입니다. 이러한 종류의 분자들을 이용하면 기계의 크기를 극단적으로 작게 할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 효율도 크게 향상시킬 수 있어, 미래 기술을 향한 나노과학의 한 분야로 주목을 받고 있습니다. 단분자 모터의 대표적인 예시가 속칭 nano-car(나노카) 입니다. 분자 하나가 마치 우리의 거시세계의 자동차처럼 외부에서 에너지를 받아 (자동차: 석유/전기, 나노카: 전자/광자) 길 위를 움직이며 (자동차: 포장도로, 나노카: 원자 수준에서 잘 정의된 표면) 특정 기능을 수행합니다 (자동차: 승객/화물 운반, 나노카: 분자 운반). 자동차의 움직임을 GPS 혹은 속도계 등으로 측정하듯, 나노카의 움직임은 주사터널현미경으로 관찰할 수 있습니다. 자동차의 디자인과 기능이 세월에 따라 많이 변해왔듯, 유기합성을 통한 새로운 나노카의 설계와 주사터널현미경의 뾰족한 탐침을 이용한 나노카의 움직임 컨트롤을 향한 연구 노력들이 있었으며, Nano-car Race 라는 대회를 통해 성능을 겨루기도 합니다 (Formula 1이 자동차 회사들의 성능 경연장인 것 처럼 말입니다). 다만, 이러한 단분자 모터가 실제로 유용한 기능을 수행하기까지는 해결해야할 부분들이 많습니다. 우리 연구실에서는 단분자 모터의 기능이 분자의 형태 및 분자-표면 상호작용 등에 의해 어떻게 달라지는지 체계적인 실험을 수행할 계획입니다. 나노카가 우리의 자동차처럼 유용하게 사용되기 위해서는 충분한 속도 뿐 아니라 전진/후진 및 방향전환 또한 원하는대로 조절이 가능해야 할 것입니다. 이러한 기능적인 개발은 분자 내 에너지 전달 방식, 즉 분자에 주어진 자극 (빛 또는 전자)이 어떻게 분자의 움직임으로 이어지는지에 대한 근원적 이해를 필요로 할 것입니다. 화학과에서 흔히 수행하는 합성은 용액상에서 이루어집니다. 이에 반해, 진공 환경의 표면에서 전자 혹은 열 자극을 이용해 단분자 및 고분자를 합성하는 "표면 위 합성 (On-surface synthesis)"이 여러 표면화학 그룹에서 연구되고 있습니다. 표면 위 합성 방법은 기존의 용액상 합성에 비해 몇몇 장점을 가지고 있습니다. (1) 주사터널현미경 등 local probe를 이용하여 반응물, 중간체, 생성물을 단분자 수준에서 real-space 관측이 가능합니다. (2) 표면 위 합성을 통해 고체 표면 위에 원하는 분자를 준비할 수 있다면 고체 디바이스로의 응용이 훨씬 용이합니다. (용액상 합성을 통해 생성된 분자는 정제 및 표면 흡착의 과정을 별도로 거쳐야 합니다.) (3) 기존의 합성법과는 다른 반응 경로를 이용하여 기존에 합성할 수 없었던 분자나 불안정한 분자를 합성할 수 있습니다. 이는 표면의 촉매성과 이차원성에 기인한다고 볼 수 있겠습니다. 우리 연구실에서 도전해보