양자컴 사용되는 종이접기 원리 메타물질 찾았다

UNIST 연구진, 종이접기 패턴의 금속-유기 골격체 만들어
분자 수준의 물질로 양자 컴퓨팅 분야에 응용 가능

최원영 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수와 민승규 UNIST 화학과 교수 공동 연구진이 종이접기 패턴을 기반으로 2차원 금속-유기 골격체를 개발했다. 왼쪽 원형이 연구의 제 1저자 진은지 연구원, 윗줄 왼쪽부터 이정혜 연구원, 강은영 초빙교수, 남주한 연구원, 조현수 연구원, 아랫줄 왼쪽부터 최원영 교수, 민승규 교수, 이인성 연구원./울산과학기술원(UNIST)

국내 연구진이 종이접기의 원리를 이용해 양자컴퓨터를 구현하는데 사용하는 물질을 만드는 방법을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 화학과 최원영 교수와 민승규 교수 연구진은 19일 종이접기 패턴을 가지는 2차원 금속 유기 골격체(MOF)를 개발했다고 밝혔다.

종이접기는 놀이를 넘어 최근 들어 공학과 건축과 같은 다양한 분야에서 활용되고 있다. 태양전지부터 의료기기까지 다양한 영역에서 활용하고 있다. 종이잡기 원리에 영감을 받은 물질이 꾸준히 개발되고 있으나 ‘분자 수준’에서 물질 개발은 어려운 과제였다.

연구진은 종이접기처럼 모습을 바꾸는 골격체를 만들기 위해 금속 노드(Metal Node)와 유기 리간드를 합성했다. 이 골격체는 구성 성분의 특성에 따라 고체 물질에 유연성을 부여할 수 있다.

연구진은 전파와 빛과 유사한 X선의 회절현상을 측정해 2차원 금속-유기 골격체를 분석했다. 제작된 골격체는 온도 변화에 반응하며 종이접기와 같은 작동 원리를 보인다. 구조 변화에 따라 물질의 특성인 음성 푸아송비(NPR)의 특성도 발견했다. 푸아송비는 대부분의 물체가 젤리와 같이 수평으로 힘을 주면 수직으로 늘어나는 데 반해 수직으로 줄어드는 특성을 보여주는 계수를 말한다.

국내 연구진이 개발한 금속 노드와 유연한 작용기를 갖는 포피린 기반 유기 리간드의 자가조립을 통해 합성된 2차원의 금속-유기 골격체의 분자구조 그림이다. 이 구조는 오리가미 패턴의 형태로 단순화할 수 있으며, 오리가미 작동 원리에 따라 구조의 유연성을 증명하였다./울산과학기술원(UNIST)

연구진은 이런 현상의 원인은 유연한 구조적 구성 요소로 구성된 금속-유기 골격체의 내부 구조 배열 때문으로 분석했다. 물질의 고유한 유연성이 종이접기와 같은 움직임을 나타나게 하는 것이다. 이런 특성은 자연에서 찾기 어려운 성질을 가지는 ‘메타물질’에서 나타나는 특징으로, 다양한 신소재 개발 분야에서 활용될 것으로 보인다.

연구의 제1저자인 진은지 UNIST 연구원은 “이번 연구를 통해 분자 수준에서의 종이접기 작동 원리에 대한 새로운 가능성을 열었다”며 “금속-유기 골격체의 움직임을 이해하고 기계 메타소재 분야에서의 잠재적인 응용 가능성을 제시했다”고 전했다.

최원영 교수는 “분자 수준에서 종이접기 작동과 같은 움직임을 구현한 것은 독특한 기계적 특성을 갖춘 신소재를 발견한 것”이라며 “다양한 작용기의 탐색과 종이접기 작동 원리에 대한 연구는 앞으로 양자 컴퓨팅의 발전과 같은 특정 응용 분야에 새로운 길을 열 것”이라 기대했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 1일 온라인 게재됐다.

참고 자료

Nature Communications(2023), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-43647-8

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