세계에서 가장 작은 기어 드라이브
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2022-04-21 15:09:57
3'30" 읽기
- 2개의 분자 기어로 구성된 요소는 크기가 2nm(나노미터) 미만이며 71개의 원자로 구성
- 베이스 플레이트가 회전할 때마다 프로펠러와 같은 분자 기어가 1.5회 회전
- 크기가 1.6나노미터에 불과하여 세계에서 가장 작은 능동적 구동 기어 휠
나노 로봇, 분자 회전자, 나노 차량 또는 소형 형태의 그리퍼 등 이미 많은 나노 규모의 구성 요소와 기계가 있다. 2016년에는 분자 기계 개발로 노벨 화학상까지 수상했다. 대부분의 경우 이러한 나노머신은 원하는 목적에 맞는 모양과 동작을 갖는 화학 분자로 조립된다. 기어 휠에 대한 분자 대응물이 이미 있다.
톱니바퀴의 미끄러짐
문제는 지금까지 분자 톱니와 기어의 움직임을 제어하기가 어려웠다는 것이다.
"거시적인 세계와 달리 마찰과 관성은 분자 세계에서 중요한 역할을 하지 않는다"고 뮌헨 대학의 Aaron Gerwien과 그의 동료들은 설명했다. "결과적으로 미끄러짐은 예외가 아니라 규칙이며 고도로 상호 연결된 분자 시스템에서도 진정한 기어 변속을 방지한다.“
또한, 환경의 열에너지에 의해 발생하는 분자의 진동, 즉 브라운 분자 운동은 제어된 운동을 추가적으로 방해한다. 대부분의 나노기어는 수동적이고 무작위로 앞뒤로만 움직인다. 이는 분자 기계에 도움이 되지 않는다.
두 분자로 구성된 톱니 바퀴 구동
이것은 Gerwien과 그의 동료들이 개발한 나노 기어와는 다르다. 처음으로 그 기어와 상대도 능동적으로 제어되고 구동될 수 있다. 기어는 공간적으로 기울어진 두 구성 요소 사이의 움직임을 전달할 뿐만 아니라 제어된 2:3 비율로 전달한다. 베이스 플레이트가 회전할 때마다 프로펠러와 같은 분자 기어가 1.5회 회전한다.
구체적으로 말하면, 나노 기어는 71개의 원자로 구성된 두 개의 연동 분자로 구성된다. 기어는 패들 휠이나 톱니가 3개 있는 기어와 유사한 여러 개의 고리로 구성된 유기 화합물인 트리티센 분자로 형성된다. 그 대응물은 톱니바퀴에 대해 120도 기울어진 티오인디고(Thioindigo)-분자로, 작고 길쭉한 판과 비슷하다.
빛은 움직임을 제어한다.
결정적인 요인은 이 나노 기어가 빛에 의해 구체적으로 구동되고 제어될 수 있다는 점이다. 청색광을 조사하면 평판과 트리타이센 프로펠러(Triptycen-Propeller)가 연동해 움직인다. 플레이트가 180도 회전하면 프로펠러가 미끄러지지 않고 120도 더 회전한다. 팀은 처음으로 분자 기어 휠과 그 대응물을 목표 방식으로 구동하는 데 성공했다.
Gerwien과 그의 동료들은 "최소 규모의 이러한 제어는 화학 나노 시스템의 기능을 위해 질서 정연한 움직임이 필요한 모든 사람에게 큰 가치가 있다"고 말했다. "우리의 연구는 완전히 통합된 나노 기계의 개발을 위한 수많은 새로운 가능성과 설계 개념을 열어준다.“
마지막으로 중요한 것은 나노 부품은 또한 새로운 기록을 나타낸다. 크기가 1.6나노미터에 불과하여 세계에서 가장 작은 능동적 구동 기어 휠이다.
(Nature Chemistry, 2022; doi: 10.1038/s41557-022-00917-0)
출처: 에를랑겐-뉘른베르크의 프리드리히 알렉산더 대학교
- 2개의 분자 기어로 구성된 요소는 크기가 2nm(나노미터) 미만이며 71개의 원자로 구성
- 베이스 플레이트가 회전할 때마다 프로펠러와 같은 분자 기어가 1.5회 회전
- 크기가 1.6나노미터에 불과하여 세계에서 가장 작은 능동적 구동 기어 휠
세계에서 가장 작은 기어 드라이브
빛으로 제어되는 나노 기어로 분자 움직임을 정밀하게 제어
완전한 제어:
독일 연구원들이 세계에서 가장 작은 능동적으로 구동되는 기어 트레인을 설계했다. 2개의 분자 기어로 구성된 구성 요소는 크기가 2나노미터 미만이며 71개의 원자로 구성된다. 그 움직임은 열 효과에 의해 방해 받지 않고 빛의 도움으로 제어될 수 있다. 이 구성 요소는 연구원들이 "Nature Chemistry" 저널에서 설명하는 것처럼 많은 나노머신의 중요한 문제를 해결할 수 있다.
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| ▲ 이 분자 기어는 빛에 의해 구동되며 모션의 2:3 변환을 허용한다. © Gerwien et al. / Nature |
나노 로봇, 분자 회전자, 나노 차량 또는 소형 형태의 그리퍼 등 이미 많은 나노 규모의 구성 요소와 기계가 있다. 2016년에는 분자 기계 개발로 노벨 화학상까지 수상했다. 대부분의 경우 이러한 나노머신은 원하는 목적에 맞는 모양과 동작을 갖는 화학 분자로 조립된다. 기어 휠에 대한 분자 대응물이 이미 있다.
톱니바퀴의 미끄러짐
문제는 지금까지 분자 톱니와 기어의 움직임을 제어하기가 어려웠다는 것이다.
"거시적인 세계와 달리 마찰과 관성은 분자 세계에서 중요한 역할을 하지 않는다"고 뮌헨 대학의 Aaron Gerwien과 그의 동료들은 설명했다. "결과적으로 미끄러짐은 예외가 아니라 규칙이며 고도로 상호 연결된 분자 시스템에서도 진정한 기어 변속을 방지한다.“
또한, 환경의 열에너지에 의해 발생하는 분자의 진동, 즉 브라운 분자 운동은 제어된 운동을 추가적으로 방해한다. 대부분의 나노기어는 수동적이고 무작위로 앞뒤로만 움직인다. 이는 분자 기계에 도움이 되지 않는다.
두 분자로 구성된 톱니 바퀴 구동
이것은 Gerwien과 그의 동료들이 개발한 나노 기어와는 다르다. 처음으로 그 기어와 상대도 능동적으로 제어되고 구동될 수 있다. 기어는 공간적으로 기울어진 두 구성 요소 사이의 움직임을 전달할 뿐만 아니라 제어된 2:3 비율로 전달한다. 베이스 플레이트가 회전할 때마다 프로펠러와 같은 분자 기어가 1.5회 회전한다.
구체적으로 말하면, 나노 기어는 71개의 원자로 구성된 두 개의 연동 분자로 구성된다. 기어는 패들 휠이나 톱니가 3개 있는 기어와 유사한 여러 개의 고리로 구성된 유기 화합물인 트리티센 분자로 형성된다. 그 대응물은 톱니바퀴에 대해 120도 기울어진 티오인디고(Thioindigo)-분자로, 작고 길쭉한 판과 비슷하다.
빛은 움직임을 제어한다.
결정적인 요인은 이 나노 기어가 빛에 의해 구체적으로 구동되고 제어될 수 있다는 점이다. 청색광을 조사하면 평판과 트리타이센 프로펠러(Triptycen-Propeller)가 연동해 움직인다. 플레이트가 180도 회전하면 프로펠러가 미끄러지지 않고 120도 더 회전한다. 팀은 처음으로 분자 기어 휠과 그 대응물을 목표 방식으로 구동하는 데 성공했다.
Gerwien과 그의 동료들은 "최소 규모의 이러한 제어는 화학 나노 시스템의 기능을 위해 질서 정연한 움직임이 필요한 모든 사람에게 큰 가치가 있다"고 말했다. "우리의 연구는 완전히 통합된 나노 기계의 개발을 위한 수많은 새로운 가능성과 설계 개념을 열어준다.“
마지막으로 중요한 것은 나노 부품은 또한 새로운 기록을 나타낸다. 크기가 1.6나노미터에 불과하여 세계에서 가장 작은 능동적 구동 기어 휠이다.
(Nature Chemistry, 2022; doi: 10.1038/s41557-022-00917-0)
출처: 에를랑겐-뉘른베르크의 프리드리히 알렉산더 대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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