작은 모터는 언젠가 재료 과학 및 의학의 혁신을 주도할 수 있습니다.

거시적인 전기 모터로 구동되는 전기 자동차는 우리의 거리와 고속도로에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 이 조용하고 환경 친화적인 기계는 거의 200년 전에 물리학자들이 전기 모터를 세계에 도입하기 위한 첫 번째 작은 조치를 취하면서 시작되었습니다.

이제 노스웨스턴 대학이 이끄는 다학제적 팀이 육안으로 볼 수 없는 전기 모터, 즉 분자 규모의 전기 모터를 만들었습니다.

전기 에너지를 분자 수준에서 단방향 운동으로 변환할 수 있는 모터인 이 초기 작업은 전기 분자 모터가 인체의 생체 분자 모터와 협력할 수 있는 재료 과학 및 특히 의학에 영향을 미칩니다.

“우리는 분자 나노기술을 다른 수준으로 끌어올렸습니다.”라고 분자 기계의 설계 및 합성에 대한 연구로 2016년 노벨 화학상을 받은 Northwestern의 Sir Fraser Stoddart가 말했습니다. “이 우아한 화학은 전자를 사용하여 거시적 모터와 마찬가지로 분자 모터를 효과적으로 구동합니다. 이 화학 분야는 초기 단계이지만 언젠가는 이 작은 모터가 의학에서 큰 차이를 만들 것이라고 예상합니다.”

Weinberg College of Arts and Sciences의 화학과 이사회 교수인 Stoddart는 이 연구의 공동 교신 저자입니다. 이 연구는 메인 대학의 분자 기계 이론가이자 교수인 Dean Astumian과 California Institute of Technology의 전산 화학자이자 교수인 William Goddard와 긴밀히 협력하여 수행되었습니다. Stoddart 연구실의 박사후 연구원인 Long Zhang은 논문의 첫 번째 저자이자 공동 교신 저자입니다.

“우리는 분자 나노기술을 다른 수준으로 끌어올렸습니다.” — Fraser Stoddart 경, 화학자

폭이 2나노미터에 불과한 분자 모터는 처음으로 대량으로 대량 생산되었습니다. 모터는 만들기 쉽고 빠르게 작동하며 폐기물을 생성하지 않습니다.

이 연구와 관련 뉴스 브리핑은 오늘(1월 11일) Nature 지에 게재되었습니다.

연구팀은 강력한 기계적 결합에 의해 결합된 카테난(catenan)으로 알려진 연동 고리가 있는 특정 유형의 분자에 초점을 맞추었습니다. (Stoddart는 수십 년 전에 분자 기계의 개발로 이어진 새로운 유형의 화학 결합인 기계적 결합을 만드는 데 중요한 역할을 했습니다.)

전기 분자 모터는 특히 [3]2개의 동일한 링과 맞물린 루프인 구성요소인 카테난은 산화환원 활성, 즉 전압 전위의 변화에 ​​반응하여 단방향 운동을 합니다. 연구원들은 이 단방향 운동을 달성하기 위해 두 개의 링이 필요하다는 것을 발견했습니다. 실험 결과 [2]하나의 링에 하나의 루프가 연동되어 있는 카테난은 모터로 작동하지 않습니다.

외부 에너지를 방향 운동으로 변환하는 모터 기능을 수행하는 분자의 합성 및 작동은 한동안 화학, 물리학 및 분자 나노기술 분야의 과학자들에게 도전 과제였습니다.

혁신을 달성하기 위해 Stoddart, Zhang 및 Northwestern 팀은 전기 분자 모터의 설계 및 합성에 4년 이상을 보냈습니다. 여기에는 UMaine의 Astumian 및 Caltech의 Goddard와 협력하여 모터 이면의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 양자 역학 계산을 완료하는 1년이 포함되었습니다.

“분자 규모에서 구성 요소의 상대적 이동을 제어하는 ​​것은 만만치 않은 도전이므로 협력이 중요했습니다.”라고 Zhang은 말했습니다. “합성, 측정, 전산 화학 및 이론 분야의 전문가와 협력하여 솔루션에서 작동하는 전기 분자 모터를 개발할 수 있었습니다.”

단분자 전기 모터에 대한 몇 가지 예가 보고되었지만 초고진공 사용과 같은 가혹한 작동 조건이 필요하고 폐기물도 발생합니다.

연구원들은 전기 분자 모터의 다음 단계는 많은 모터를 전극 표면에 부착하여 표면에 영향을 미치고 궁극적으로 유용한 작업을 수행하는 것이라고 말했습니다.

Stoddart는 “오늘 우리가 보고하는 성과는 우리 젊은 과학자들의 창의성과 생산성뿐만 아니라 위험을 감수하려는 그들의 의지에 대한 증거입니다.”라고 말했습니다. “이 작업은 저와 팀에 큰 만족을 줍니다.”

Stoddart는 국제 나노기술 연구소와 노스웨스턴 대학의 로버트 H. 루리 종합 암 센터의 회원입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/01/230111150813.htm