황홀한 수학을 모방하는 분자들 :: 전체

컴퓨터 모델링이 유기 분자들이 어떻게 준결정들(quasicrystals)로 조립될 수 있는지를 처음으로 보여주어, 성질들을 가진 새로운 물질들의 가능성을 높여주었다.
Penrose tilings라고 알려진 유명한 수학적 유형들을 모방하면서, 러시아에 있는 모스코주립대(Moscow State University)의 Dimitri Laikov는 두 가지 상호보완적인 분자 ‘타일들’을 고안하고 그들의 초분자 상호작용들을 모형화했다. 그 결과로 만들어진 조립은 준결정들의 5배 회전 대칭성 성질과 비주기성을 보여주었는데?이는 이 성질을 가진 복합체를 처음으로 예측한 것이다.

준결정들은 1980년대에 발견되었지만, 그것들이 결정학의 많은 전통적인 규칙들을 깬다는 것이 인정받기까지 오래 걸렸다. 병진 대칭성을 가지고 회전 축이 2-,4-, 6-배에 제한되는 보통 결정들과는 달리, 준결정들은 5배와 10배 회전 대칭성을 가질 수 있고, 병진 대칭성을 아예 가지지 않을 수 있다.

수백 가지의 물질들이 이제 준결정성 상을 가지는 것으로 알려졌다. 그러나 염으로부터 단백질까지 거의 모든 물질들로부터 형성할 수 있는 전통적인 결정들과는 달리, 거의 모든 알려진 준결정은 광물 icosohedrite) Al63Cu24Fe13 같이, 세 가지 성분의 금속성 합금이다. 이것은 아직 밝혀지지 않은 훨씬 더 복잡한 화합물들로부터 방대한 수의 준결정을 형성하는 가능성을 높인다.

Laikoy는 준결정을 만들기 위해서 필요한 방향으로 서로 결합하도록 하기 위해서 전략적으로 놓인 수소-결합 그룹들을 이용해서, Penrose타일링을 조합하는 두꺼운 것과 얇은 ‘마름모들’을 모방해서 그의 두 가지 구성성분을 디자인했다. "내가 시도한 많은 분자들은 내가 원하는 아름다운 타일을 만드는데 실패했다. 그러나 어려운 연구를 통해서 나는 모든 시험들을 통과하는 분자 쌍들을 발견했다"고 Laikoy가 말했다.

그의 연구를 응용에 대해서, Laikoy는 그 분자 준결정이 계층적 구조가 독특한 광학적, 기계적, 전자기계적, 열적 성질들로 이끌어 줄 수 있는 독특한 특징을 가질지도 모른다고 말했다. "비록 실용적인 응용이 알려지지 않았지만, 그것들이 주는 미적 즐거움은 새로운 분자 물질의 더 대담한 디자인들에 영감을 줄 수도 있다"고 그는 덧붙였다.

"Laikoy의 연구를 읽으면서, 나는 컴퓨터 화학의 엄청난 발전을 생각했다. 새로운 분자들, 특히 아름답거나 새로운 결합 유형을 보여주는 것들을 예측하는 것은 항상 컴퓨터 화학을 위한 성배였다"고 캐나다에 있는 마니토바대(University of Manitoba)의 컴퓨터 화학자 Georg Schreckenbach가 말했다.
Schreckenbach는 이 연구는 미학과 아름다움, 수학적 우아함이 어떻게 종종 과학적 발견 뒤의 동인으로 작용하는지를 재확인시켜준다고 말했다: "명확히 이 연구를 위한 동인이었던 발견의 순수한 즐거움을 느낄 수 있다." Laikoy는 이제 그 실험실에서 그 복합체들의 형성을 시험하기 위해서 그들이 모형화한 분자들을 합성할 계획이다.

* 자료 - KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』