화학과 김태연 교수팀, 용매 조절로 모양 변하는 ‘분자 나노그래핀’ 비밀 풀었다

- 용매 극성과 금속 결합만으로 단분자와 이중층 형태 자유자재 제어 성공

- 차세대 분자 스위치 및 환경 감응형 센서 개발을 위한 새로운 설계 원리 제시

▲ 화학과 김태연 교수, 곽도훈 연구원

화학과 김태연 교수 연구팀이 용매의 성질과 금속 결합을 이용해 리본 형태의 ‘나노그래핀’ 분자 구조를 정밀하게 조절하는 데 성공했다. 이번 연구는 중국 베이징사범대학교(BNU) 교수팀과의 공동 연구로 진행되었으며, 나노 수준에서 그래핀의 물리적 성질을 제어할 수 있는 새로운 길을 열었다는 평가를 받고 있다.

 그래핀은 탄소 원자들이 벌집 모양으로 연결된 아주 얇은 막으로, 강철보다 강하고 전기가 잘 통해 '꿈의 신소재'라 불린다. 특히 그래핀 두 장을 특정 각도로 겹쳤을 때 나타나는 독특한 전기적 현상은 과학계의 큰 관심사다. 최근에는 이를 응용해 아주 작은 분자 수준에서 두 층을 쌓아 올린 ‘분자 이중층 그래핀’ 연구가 활발히 진행 중이나, 구조가 매우 불안정하여 단일 층과 이중 층의 차이를 명확히 밝혀내는 데 한계가 있었다.

김태연 교수 연구팀은 'HBC2P'라 불리는 새로운 리본형 나노그래핀 분자를 합성하여 이 문제를 해결했다. 이 분자는 약 1.9나노미터(nm) 길이의 유연한 골격을 가지고 있어, 주변 환경에 따라 마치 살아있는 생물처럼 모양을 바꿀 수 있다. 구체적으로는 배의 바닥처럼 굽은 ‘보트 모양’과 의자처럼 꺾인 ‘의자 모양’ 사이를 초당 약 150억 번이라는 엄청난 속도로 오가며 형태를 변화시킨다.

연구팀이 발견한 핵심 원리는 ‘용매의 극성(전기적 성질)’이다. 톨루엔처럼 전기가 잘 치우치지 않는 비극성 용매에서는 분자가 하나씩 떨어져 있는 ‘단분자’ 형태를 유지하지만, 아세톤과 같이 전기가 한쪽으로 치우친 극성 용매를 사용하면 두 분자가 등을 맞대고 결합하는 ‘이중층’ 구조로 변신하게 된다. 또한, 금속 이온을 결합시키면 이렇게 빠르게 움직이는 분자의 형태를 원하는 모양으로 꽉 붙잡아 고정할 수 있다는 사실도 함께 확인했다.

연구팀은 1,000조 분의 1초라는 찰나의 순간을 포착하는 ‘펨토초 분광학’ 기술과 정밀한 컴퓨터 계산을 통해, 두 분자가 겹쳐질 때 내부의 전자 흐름이 어떻게 변하는지 과학적으로 입증했다. 두 층이 겹쳐지면 분자 고유의 성질이 변하면서 빛에 반응하는 방식이 달라지는데, 이를 통해 분자의 상태를 자유자재로 끄고 켤 수 있는 ‘나노 스위치’의 가능성을 확인한 것이다.

김태연 교수는 “이번 연구는 용매의 종류라는 단순한 환경 변화만으로 나노 수준의 그래핀 구조를 가역적으로 조절할 수 있음을 보여준 사례”라며, “앞으로 특정 환경에서만 작동하는 정밀 센서나 차세대 나노 소자 개발에 핵심적인 설계 원리를 제공할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 화학 분야 세계 최고 권위의 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’에 2026년 4월 6일 게재되었다.

※ 논문명: Dynamic Double Carbaporphyrin-Fused Nanographene: Facile Monolayer and Persistent Bilayer Switching

※ 학술지: Journal of the American Chemical Society

※ 논문링크: https://doi.org/10.1021/jacs.5c22919

▲ (위) 분자 나노 그래핀 구조, (아래) 광유도 동역학 도식 및 방향성 지표