원자 수준에서 물질 제어

영국 바스 대학의 물리학자들이 이끄는 국제 과학자 팀이 획기적인 나노기술 연구를 수행한 덕분에 원자 수준에서 물질을 제어하는 ​​것이 큰 진전을 이루었습니다.

이 발전은 근본적인 과학적 이해에 심오한 의미를 갖습니다. 또한 연구자들이 새로운 약물을 개발하는 방식을 변화시키는 것과 같은 중요한 실용적 응용 분야도 있을 가능성이 높습니다.

단일 결과 단일 분자 반응을 제어하는 ​​것은 이제 전 세계 연구 실험실에서 거의 일상이 되었습니다. 예를 들어, 10년 전, 기술 거대 기업 IBM의 연구자들은 세계 에서 가장 작은 영화인 A boy and his atom을 만들어 개별 원자를 조작하는 능력을 보여주었습니다. 이 영화에서 두 개의 원자가 결합된 단일 분자는 1억 배로 확대되고 프레임별로 배치되어 원자 규모로 정지 모션 스토리를 전달합니다.

그러나 여러 가지 결과가 있는 화학 반응에 대한 통제를 달성하는 것은 여전히 ​​어렵습니다. 이는 일반적으로 화학 반응의 일부 결과만이 유용하기 때문에 중요합니다.

예를 들어, 약물 합성 중에 '고리화'라는 화학 과정을 거쳐 원하는 치료 화합물이 생성되지만, 또 다른 결과인 '중합' 과정에서는 원치 않는 부산물이 생성됩니다.

원하는 결과를 얻기 위해 반응을 정확하게 제어하고 원치 않는 부산물을 줄이는 것은 제약 공정의 효율성과 지속 가능성을 개선하는 데 도움이 될 것입니다.

주사터널링 현미경

오늘 Nature Communications 저널에 발표된 새로운 연구는 주사터널링 현미경(STM)의 원자적 분해능을 사용하여 경쟁적인 화학 반응의 결과에 영향을 미칠 수 있다는 것을 처음으로 보여주었습니다.

기존의 현미경은 빛과 렌즈를 사용하여 표본을 확대하여 맨눈이나 카메라로 볼 수 있습니다. 그러나 가시광선의 가장 짧은 파장보다 작은 원자와 분자의 경우 기존 방법은 부족합니다.

과학자들은 이런 작은 영역을 탐구하기 위해 레코드 플레이어와 매우 비슷하게 작동하는 주사터널링 현미경을 이용합니다.

단일 원자만큼 미세한 팁을 가진 주사 터널링 현미경은 재료 표면을 이동하면서 전류와 같은 특성을 측정하여 각 지점을 매핑합니다. 그러나 레코드 플레이어 바늘처럼 팁을 표면에 누르는 대신 팁은 그 위로 단일 원자 너비만큼 떠 있습니다.

전원에 연결되면 전자는 팁을 따라 이동하며 원자 크기의 갭을 가로질러 양자 도약을 합니다. 팁이 표면에 가까울수록 전류가 강해지고, 멀리 있을수록 전류가 약해집니다. 팁 거리와 전류 사이의 이러한 잘 정의된 관계를 통해 현미경은 전류 강도에 따라 원자 또는 분자의 표면을 측정하고 매핑할 수 있습니다. 팁이 표면을 쓸면서 표면의 정확한 라인별 이미지를 구축하여 기존 광학 현미경에서는 보이지 않는 세부 사항을 드러냅니다.

단일 분자 반응

과학자들은 주사터널링 현미경의 원자적 정밀성을 이용해 분자 표면을 매핑하는 데 그치지 않고 개별 원자와 분자의 위치를 ​​재조정하고, 개별 분자 내 특정 반응 경로의 가능성에 영향을 미치고 측정할 수도 있습니다.

연구를 이끈 크리스티나 루시모바 박사는 "일반적으로 STM 기술은 개별 원자와 분자를 재배치하여 표적 화학 상호 작용을 가능하게 하는 데 사용되지만, 경쟁적인 결과를 갖는 반응을 지시하는 능력은 여전히 ​​과제로 남아 있습니다. 이러한 다른 결과는 양자 역학에 의해 지배되는 특정 확률로 발생합니다. 분자 주사위를 굴리는 것과 비슷합니다.

"저희의 최신 연구는 STM이 목표 에너지 주입을 통해 전하 상태와 특정 공명을 선택적으로 조작하여 반응 결과의 확률을 제어할 수 있음을 보여줍니다."

물리학과의 수석 강사이자 본 연구의 공동 저자인 피터 슬로안 박사는 "STM 팁을 사용하여 톨루엔 분자에 전자를 주입하여 화학 결합이 끊어지고 근처 위치로 이동하거나 탈착이 이루어지도록 했습니다.

"우리는 이 두 결과의 비율이 주입된 전자의 에너지에 의해 제어된다는 것을 발견했습니다. 이 에너지 의존성 덕분에 우리는 정확한 에너지 임계값과 분자 장벽에 따라 중간 분자 상태의 표적 "가열"을 통해 각 반응 결과의 확률을 제어할 수 있었습니다."

해당 연구 논문의 주저자인 박사과정 학생 피터 키넌은 "여기서 핵심은 시험 반응에 대해 동일한 초기 조건을 유지하는 것, 즉 정확한 주입 위치와 여기 상태를 일치시키는 것, 그리고 주입된 전자의 에너지에 따라서만 결과를 다르게 하는 것"이라고 말했습니다.

"단일 분자의 에너지 입력에 대한 반응 내에서, 서로 다른 반응 장벽이 반응 결과 확률을 주도합니다. 에너지 입력만 변경하면, 우리는 높은 정밀도로 반응 결과를 다른 결과보다 더 가능성 있게 만들 수 있습니다. 이런 식으로 '분자 주사위를 채울' 수 있습니다."

독일 포츠담 대학의 틸만 클람로트 교수는 "이 연구는 고급 이론적 모델링과 실험적 정밀성을 결합하여 분자 에너지 지형에 기반한 반응 확률에 대한 선구적인 이해를 이끌어냈습니다. 이는 나노기술의 추가 발전을 위한 길을 열어줍니다."라고 덧붙였습니다.

앞으로를 내다보며, 루시모바 박사는 "기초 과학과 응용 과학 모두에 적용되는 이 발전은 완전히 프로그래밍 가능한 분자 시스템을 향한 중요한 단계를 나타냅니다. 우리는 이와 같은 기술이 분자 제조의 새로운 지평을 열고 의학, 청정 에너지 등의 혁신으로 가는 문을 열 것으로 기대합니다."라고 말했습니다.

이 연구는 저널 Nature Communications에 게재되었습니다. Royal Society와 Engineering and Physical Science Research Council(EPSRC)의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241203154214.htm