자기 조립(Self-assembly)의 정의와 분류

1. 자기 조립(Self-assembly)의 정의

 자기조립(Self-assembly)은 원자, 분자, 나노 입자, 또 다른 여러 개의 나노 수준의 구조요소(building block)가 계의 에너지

(엔탈피)에 의해 자발적으로 조합되는 현상 또는 이러한 현상에 의해 나노 구조물을 만드는 방법을 말합니다. 다시 말하면, 원자, 분자, 나노 입자들이 자발적으로 조합되어 나노구조물을 만드는 방법으로, 열역학적인 관점에서 보면 무질서도(엔트로피)가 증가하는 것이 자발적인 과정이라는 열역학 제2법칙과는 반대되는 현상입니다. 이 과정은 입자 간의 상호작용에 의한 결합으로 무질서도를 넘어 안정한 구조를 형성하게 되는것 입니다.

 

 이러한 자기조립을 가능하게 하는 작용하는 힘들은 대표적으로 여섯 가지 정도로 설명할 수 있습니다.

1. 정전기적 상호작용(dipole-dipole interaction) - 쌍극자 간의 상호작용 또는  입자 표면에 띄는 전하에 의한 상호작용.
2. 반데르 발스 작용력(van der Waals interaction) - 무극성 분자들의 순간적인 분극으로 인한 전기적 인력.
3. 수소결합(Hydrogen bonding) - 수소와 산소, 질소 등을 포함한 물질들의 비공유 전자쌍에 의한 결합이나 이러한 원자를 포함하는 분자들의 극성도에 의해 발생하는 힘.
4. 친수성/소수성 작용기 간의 상호작용(Hydrophilic/hydrophobic interaction) - 소수성은 소수성끼리, 친수성은 친수성끼리 서로 모이는 현상, 이 현상은 친수성 그룹의 뭉침이 선행되어 나머지 그룹이 소수성으로만 구성되는 것이 일반적인 원리.
5. 근접거리에서의 반발력(short-range repulsive force) - 원자 수준에서 서로 다른 원자핵과의 거리에 따른 반발이 미치는 정도 또는 전자들끼리의 반발력.
6. 파이-파이 스택킹(π-π stacking) - 벤젠과 같은 방향족 고리화합물들의 겹침 현상에 의한 상호작용.

2. 자기조립(Self-assembly)의 형성 방법

 자기조립자기 조립 방법은 나노 물질의 합성방법 중 상향식 기술(bottom-up)을 통해 나노 소자 제작을 하는 중요한 방법으로 분자 수준에서 조절된 기능성 초분자 조립체, 분자 또는 나노 입자의 고체표면에서의 배열, 이러한 자기 조립체를 주형으로 이용하여 다른 나노 구조를 만드는 데에 사용됩니다. 다시 말하면, 무질서하게 존재하는 분자 및 원자들이 정렬 또는 배열되어 어떠한 자기 조립 구조체를 이룰 때 그 구조체를 이루게 하는 에너지를 포함하여 그 물질이 배열되는 과정을 모두 포함한다고 보시면 됩니다. 대표적으로 생체내에 존재하는 인지질 중합체들은 대표적인 자기 조립체입니다. 친수성 및 소수성 작용기들끼리의 상호작용으로 마이셀, 이중층, 리포솜의 구조를 형성할 수 있는 것입니다. 결론적으로 나노 물질을 형성하기 위해 공유결합 또는 배위결합을 이용해 나노 물질을 합성하고 이 합성된 물질이 원하는 형태를 구성할 수 있게 정렬 또는 배열하는 것이 자기조립이라고 이해하시면 되겠습니다.

3. 자기조립(Self-assembly)의 분류

 자기조립을 세부적으로 분류를 해보면 공동조립(Co-assembly), 직접 자기조립(Directed self-assembly), 계층적 자기조립(Hierarchical self-assembly)으로 구분할 수 있습니다.

 

1) 공동조립(Co-assembly)

 

 공동조립(Co-assembly)은 두 가지 이상의 단량체들이 서로에게 상호작용하여 자기 조립체를 구성하는 것을 말합니다. 이렇게 형성된 자기 조립체는 간단한 코어-쉘의 형태로 존재할 수도 있지만 여러 종류의 자기 조립체를 형성하는 복합체를 구성할 수도 있습니다. 하지만 한쪽의 상호 작용의 크기가 더 강해 힘의 균형이 무너지면 공동조립에 의한 자기 조립체의 형성은 어려워집니다.

 

2) 직접 자기 조립(Directed self-assembly)

 

 직접 자기조립(Directed self-assembly)은 자발적으로 자기 조립체를 형성하지 못하거나 특정한 부분에 선택적인 자기조립체를 형성하려고 할 때 외부에서 에너지를 주어 자기조립체를 형성하는 방법입니다.

3) 계층적 자기 조립(Hierarchical self-assembly)

 계층적 자기조립(Hierarchical self-assembly)은자기 조립체가 조립체간의 상호작용을 통해 새로운 자기 조립체를 형성하는 것인데 단량체들끼리의 단거리 힘은 분자의 크기가 매우 작기 때문에 분자 간 상호작용의 힘이 작을 수밖에 없어 가까운 거리에서만 작용하게 되고 형성된 자기 조립체는 크기가 더 커진 만큼 상호작용의 힘도 더 커져 적용할 수 있는 범위가 더 넓어지게 됩니다. 즉, 분자가 커질수록, 상호작용의 거리가 길어진다는 것입니다. 이 분자가 커진다는 것의 의미는 분자량이 커지고, 분자의 길이가 길어지는 것을 다 포함하는 뜻으로 생각하시면 됩니다.

 

 계층적 구조 물질(Hierarchical materials)은 계층적 자기 조립(Hierarchical self-assembly)의 결과로 형성된 자기 조립체를 말합니다. 여기서 계층적(Hierarchical)에 대해 간략하게 설명을 하자면, 이 말의 어원은 그리스어인 hierachia에서 유래가 되었습니다. 광범위적 의미는 생각, 사고, 가치, 조직 등의 일반적인 우선순위를 뜻하는데 화학 분야에서는 어떠한 개체를 구성하고 기하학적인 구조의 조합에 의해 최종 물질이 계층적으로 구성되는 것을 말합니다. 이러한 계층구조의 물질은 빌딩블록(구조요소)이 하나 이상의 길이 척도로 특성화되어야 하며, 이러한 구조들의 특성은 매우 뚜렷해야 한다는 것입니다. 간단한 예로 인체의 존재하는 뼈에 대해 말해 보겠습니다. 조직 및 기관으로서 뼈는 신체에서 중요한 구조적 및 대사적 역할을 하는데 뼈는 대표적인 계층적 구조로, 하나의 길이 스케일에 구조적 요소가 있으며, 그 자체로 더 작은 길이 스케일의 구조를 갖는 요소로 구성됩니다.