성균관대 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

□ 성균관대학교(총장 유지범) 화학과 김태연 교수 연구팀은 용매의 성질과 금속 결합을 이용해 리본 형태의 ‘나노그래핀’ 분자 구조를 정밀하게 조절하는 데 성공했다고 밝혔다. 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

붙임: 1. 연구자 사진
2. 연구그림

26년 4월 28일자 보도자료 - 첨부파일 참조