김동호 교수 연구팀, 반방향성 이합체에서 3차원 방향성 형성 현상 규명

유기소재 개발 및 응용에 새로운 지평을 열다

김동호 교수(화학과)와 일본 나고야 대학교의 히로시 시노쿠보 교수가 공동 연구해 온 ‘반향성 이합체에서 3차원 방향성’ 연구가 그 중요성과 우수성을 인정받아 세계적으로 저명한 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션’지에 2019년 8월 8일자로 게재됐다. 물질의 성질을 발현시키는 가장 작은 단위인 분자에서의 방향성·반방향성은 물질의 반응성, 전자적·광학적 성질 등 물질의 물성 발현에 핵심적인 영향을 주고 있다. 때문에 분자의 방향성은 합성적인 측면과 더불어 태양광·디스플레이·광활성 물질 등 첨단유기소재 개발에 핵심적인 정보를 제공한다는 점에서 연구적 의의가 크다.

특히, 반방향성 분자의 경우 고유한 전자구조에 의해 높은 전도성을 보이는 응집체와 양자스핀 효과를 보이는 이가라디칼을 구현할 것으로 많은 관심을 받고 있다. 최근에는 반방향성 분자들이 직접적으로 연결되지 않고 쌓임이합체를 형성할 때 3차원 방향성을 보여 안정성을 갖춘 기능성 유기소재 구현에 중요한 역할을 할 수 있다는 것이 이론적으로도 제안됐다. 하지만, 반방향성 분자의 고유한 불안정성으로 인해 반방향성-반방향성 상호작용에 의한 방향성 형성에 대한 이론은 아직 실험으로 전혀 입증이 되지 않은 상태다.

본 연구팀은 반방향성 분자 쌓임체에서의 방향성 형성 현상을 입증하기 위해 노어코롤(Norcorrole) 분자에 집중했다. 노어코롤 분자는 16개의 파이전자를 가져 뚜렷한 반방향성을 보이지만 구조적 안정성을 통해서 반방향성으로 인한 불안정성을 완화시킬 수 있다. 이러한 사실에 입각해 연구팀은 세계 최초로 310 피코미터(Picometer)의 굉장히 짧은 거리로 서로 마주 보는 형태의 안정한 반방향성-반방향성 이합체를 구현하는 데 성공했다. 또한, 가까운 거리에서 두 노어코롤 분자 간의 상호작용에 의해 그동안 이론적으로만 제시됐던 연결되어 있지 않은 분자 사이에서 공간적으로 이어진 3차원 방향성을 가진다는 것을 명백하게 증명했다.

김 교수는 “반방향성 상호작용에 의한 3차원 공간적 방향성 형성에 대한 증명은 기존의 유기분자 시스템에서의 파이전자 공액구조 및 방향성의 개념을 한 차원 더 넓힌 기념비적인 연구성과다.”라며 “새로운 개념의 방향성 현상 규명은 고전도성 및 고기능성 유기소재 개발 및 응용에 새로운 지평을 열어줄 것”이라고 포부를 밝혔다.