수 많은 도구들 중, 모터는 우리 일상생활과 매우 밀접하게 연관되어있습니다. 자동차, 엘리베이터, 무빙워크 등, 우리 주변에는 모터를 사용하지 않는 곳을 찾는 것이 그 반대보다 더 어려울 것 입니다. 조금 엉뚱한 상상을 해 봅시다. 모터가 얼마나 작아질 수 있을까요? 아마도 전선의 굵기인 수 mm정도 까지는 작아질 수 있을것입니다. 그러나 현대 과학기술은 이를 비웃듯 단위를 아득히 뛰어넘습니다. 우리는 무려 나노미터 단위의 모터를 만들고 사용할 수 있습니다. 바로 분자 모터 입니다.
이러한 연구는 Ben Feringa 교수에 의해 최초로 시도되었습니다. 모터를 구성하는데 필요한 핵심적 기술인 단방향 회전과 이를 제어하는 일을 분자 단위에서 구현해 보자는 시도였죠. 분자 내에서 '회전' 자체는 꽤, 아니 아주 많이 일어나는 현상입니다. 단편적 예시로 탄소-탄소 간 단일결합의 경우, p 오비탈이 관여하는 pi 결합이 없기 때문에 sigma 결합의 자유로운 회전이 일어납니다. Feringa 교수 역시 처음엔 이 점에 주목했습니다. 탄소간의 결합을 돌리게 되면 확장성이 좋다는 특징으로 인해 쉽게 다른 디바이스를 위에 붙일 수 있게 되기 때문이죠. 하지만 여기엔 한가지 문제점이 있었습니다. 바로 단일결합은 회전이 자유로워서 제어가 불가능하고 회전된 정도를 조사하는 것도 매우 어려운 일이었던 것이죠.
그때 떠올린 아이디어가 바로 이중결합을 회전시키자는 것이었습니다. 이중결합을 회전시키는 것은 불가능하다고 알려져있지만, isomerzation반응을 이용하면 일시적인 회전은 가능한 것 이었죠. Feringa 교수는 여기에 입체 장애의 원리를 적용하여 단방향으로 계속 회전할 수 있는 모터를 만들고자 하였습니다.
앞서 살펴본 기본적 원리를 응용해 만들어낸 분자모터가 바로 이것입니다. 중심에 cyclohexane의 탄소간 이중결합이 있고, 각각 phenanthrylidene기와 methyl기가 붙어있는 형태입니다. 분자 이름에서부터 알 수 있듯이 굉장히 복잡한 구조를 하고 있는데, 이렇게 복잡한 분자가 과연 어떻게 돌아갈 수 있을까요?
원리는 생각보다 굉장히 간단합니다. 초기에 맨 왼쪽 위의 상태에 놓인 분자에 UV광선을 쪼여주면, 빛의 조사에 의해 Isomerization이 일정한 방향으로 일어나게 됩니다. 이 과정을 통해 분자는 오른쪽 상단에 위치한 두 methyl기가 모두 equatorial position에 위치하여 에너지적으로 불안정한 상태로 가게 되는데, 이때 열을 가하여주면 thermal relaxation이 일어나 equatorial position에 있던 메틸기들이 axial position으로 이동하게 됩니다. 전체적 과정이 한번 일어나면 반 바퀴 회전한 셈이니, 한번 더 이 과정을 반복해주면 단방향으로 한바퀴 회전하게 되는 것이죠.
Feringa 교수는 여기서 그치지 않고, 모터 4개를 자동차 모양으로 합성하여 '분자 자동차'를 고안하였고, 실제로 합성해 운용하였습니다. 이는 분자적 수준에서의 자가 제어 기능을 확인한 놀라운 결과로, Feringa 교수는 이를 인정받아 2016년 노벨화학상을 Savage, Stoddart 교수와 함께 수상하게 되셨습니다.
그러나 한가지 아쉬운 점도 존재합니다. 이렇게 작은 단위체를 돌려서 과연 어디다 써먹냐는것이죠. 실제로 분자 모터는 현재로선 활용이 전무합니다. 하지만 우리는 이 기술이 막 태어난 신생 기술이라는 점을 인식해야 합니다. 100년 전 라이트 형제가 처음 비행기를 발명했을 때, 사람들은 이에 대해 주목하지 않고 활용도가 없다고 여겼습니다. 그러나 비행기는 두 번의 세계대전에서 막대한 영향력을 행사하였고, 지금은 보잉 747기가 5초마다 한대씩 이륙하고 있습니다. 분자 모터도 별반 다르지 않다고 생각합니다. 현재는 보잘것 없어 보이는 기술일지라도, OLED나 분자 디바이스 등을 고안할 때 필수적으로 필요한 단방향 회전 기술이 집약된 분자모터는 언젠가 우리 생활에 꼭 필요한 기술이 되고야 말 것이라고 생각합니다.
원하던 케미 2019 봄호
작성자: 17-025 김영욱
분야: 초분자화학
참고문헌:
[1] Koumura, N., Zijlstra, R. W. J., van Delden, R.,A., Harada, N., & Feringa, B. L. (1999). Light-driven monodirectional molecular rotor. Nature, 401(6749), 152-5.
[2] Kelly, T. Ross., De Silva, Harshani., Silva, Richard A. (1999). Unidirectional rotary motion in a molecular system. Nature, 401(150)
[3] van Delden, Richard A., ter Wiel, Matthijs K. J., Pollard, Michael M., Vicario, Javier, Koumura, Nagatoshi, Feringa, Ben L. (2005) Unidirectional molecular motor on a gold surface. Nature, 437(1337).
이미지:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Ben_Feringa
[2] http://www.benferinga.com/research.php#sub1
[4] http://www.benferinga.com/research.php#sub1
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