김동호 교수 연구팀, 화학 분야 최고 학술지 앙게반테 케미에서 집중 보도

3편의 연구 논문을 ‘표지 논문’으로 동시 게재

김동호 교수(화학과) 연구팀의 세 가지 연구가 세계 저명 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’의 표지 논문으로 소개됐다. 본 학술지는 연구팀의 삼중항 상태에서의 뫼비우스 방향성 역전 현상, 코롤(Corrole) 및 포피린(Porphyrin) 유도체에서의 물성, 들뜬 상태 동력학(Excited state dynamis) 분석 등의 연구 성과를 5월 22호의 중요 핵심 연구로 선정해 주목했다.

먼저 물질의 성질을 결정하는 최소단위인 분자에서 파이 공액구조(π-conjugation)와 방향성(Aromaticity)은 분자의 안정성 및 물리·화학적 성질을 결정 짓는 핵심적인 요소로 작용하기 때문에 매우 중요한 연구 대상이 되어왔다. 김동호 교수 연구팀은 시공간분해 분광학 기법을 이용하여 이러한 분자 시스템들을 심도 있게 연구해오고 있다.

[그림 1] 삼중항(triplet) 상태에서의 분자의 방향성

[그림 2] 방향성 뒤집힘 현상의 메커니즘 및 연구 동향

이러한 연구의 일환으로 김 교수와 오주원 학생(제 1 저자, 석박사통합 과정 4년차)은 ‘뒤틀린 구조의 확장 포피린에서의 방향성 뒤집힘 현상’에 대한 연구 결과를 발표했다. 분자 시스템에서 평평한 구조의 경우에는 휘켈 방향성(Hückel Aromaticity), 뒤틀린 구조의 분자 경우에는 뫼비우스 방향성이 형성된다. 김 교수 연구팀은 이번 연구에서 구현하기 힘들다고 알려진 뫼비우스 방향성 분자를 합성하고, 이를 분광학적 실험과 양자역학 계산을 접목시켜 바닥상태에서 분자의 뫼비우스 방향성이 삼중항 상태에서 뫼비우스 반방향성(Antiaromaticity)으로 뒤집히는 현상을 실험적으로 최초로 확인했다. 이를 통해 분자에서의 근본적인 광물리·화학적 성질을 이해하는 단초를 제공하고 분자의 (반)방향성 조절에 대한 새로운 접근법을 제시했다.

이와 더불어 김동호 교수와 박규형, 김태연 학생(석박사 통합과정 5, 2년차)은 각각 판형 코롤 이합체와 확장 포피린 유도체를 합성하고 이 분자들의 방향성 변화 및 엑시톤 동역학을 연구한 논문을 게재했다. 코롤과 확장 포피린 분자들은 엽록소에서 빛 에너지 포집 및 전달을 담당하는 포피린 분자와 구조적으로 매우 유사하여 광포집 능력이 우수하고, 외부 환경의 화학적 변화에 민감하게 반응하는 장점을 가지고 있다. 하지만 이러한 분자 시스템들은 합성과정에서 많은 어려움을 겪게 되는데, 본 연구들에서 세 개의 탄소다리로 평면성이 유지되는 코롤 이합체와 확장포피린 유도체를 합성하는 데 성공했을 뿐만 아니라 이 분자의 산화-환원 반응을 통해 방향성이 바뀌는 현상을 시간분해 분광학 실험을 통해 밝혔다. 이 연구들을 통해 코롤 및 포피린 집합체 기반의 인공 광합성 분자 및 광촉매로서의 가능성을 보여준다는 점에서 큰 의의를 지닌다.

위의 세가지 연구들은 그 우수성과 중요성을 인정받아 ‘앙게반테 케미’에 동시에 표지논문들로 게재되었다. 연구팀은 지속적인 연구를 통해 태양광 에너지 변환, 광 동역학 치료, 차세대 디스플레이 등의 다양한 기술 적용 가능성을 보여줄 것으로 기대된다.

한편, 본 연구들은 일본 교토대 오카(Atsuhiro Osuka) 교수 연구팀과 중국 휴난대 송(Jianxin Song) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 이뤄졌으며, 연구진흥 목적의 공익재단인 ‘삼성미래기술육성재단’과 ‘글로벌 연구실 사업’의 지원을 받아 진행됐다.

앙게반테 케미 5월 22호 표지 논문에 게재된 김동호 교수팀의 연구