환경에 따라 형태와 색갈이 변하는 형광물질

 

 

 

 

일본 나고야대학(Nagoya University) 시게히로 야마구치(Shigehiro Yamaguchi) 연구진이 주변 환경에 따라 분자의 형태와 광학적 성질이 변하는 형광염료(fluorescence dye) 개발에 성공했다. 새로운 형광염료는 자외선 영역의 빛을 조사하면 주변 환경에 따라 청색, 녹색, 적색 등 세 가지 색상의 형광(RGB)을 방출하는 것이 특징이다. 일반적으로 형광염료로 쓰이는 물질은 단단하고 뻣뻣한 골격구조를 가지고 있다. 때문에 안트라센(anthracene)처럼 여러 개의 방향족 고리가 서로 밀착 연결되어 있어서 쉽게 구부러지거나 변형되지 않는 분자구조를 가진 분자가 주로 사용되고 있다. 방향족 고리 여러 개가 연결되어 있는 안트라센 같은 분자가 우수한 형광 특성을 나타내는 이유는 방향족 고리를 구성하는 파이결합(pi-bond) 시스템을 통해 다양한 상호작용이 가능하고, 단단한 골격 구조 때문에 분자의 전자구조가 안정적으로 유지되기 때문이다. 반면 같은 파이결합 시스템으로 이루어진 분자라고 해도 쉽게 골격구조가 변형되는 분자의 경우 분자의 전자구조가 수시로 바뀌게 된다. 연구진이 합성한 형광염료 분자는 분자의 형태(conformation)가 쉽게 변하는 시클로옥타테트라엔(cyclooctatetraene) 구조를 중심에 배치한 다음 양쪽에 강직도가 높아서 구조가 쉽게 변형되지 않는 안트라센이미드(anthraceneimide) 구조를 연결해서 주변 환경 변화에 따라 형태가 변하는 분자이다. 시클로옥타테트라엔이 ‘욕조’ 모양의 형태에서 욕조를 엎어 놓은 모양으로 분자의 형태로 쉽게 변하는 성질을 가지고 있다. 때문에 ‘경첩’과 같은 시클로옥타테트라엔의 작용으로 인해 염료 분자의 전체적인 형태는 `V`자로 접힌 형태에서 막대 형태로 쫙 펴진 형태를 거쳐 아래위가 반대 방향으로 꺾인 ‘V`자(’?‘) 모양으로 계속 반복해서 바뀔 수 있다. 분자의 이러한 형태 변화는 잠자리가 날개 짓하는 모습과 유사하다. (그림 1) 이 염료물질에 365nm 파장의 자외선을 조사하면 주변 환경에 따라 청녹적 세 가지 색상의 형광이 관찰된다. 고체 결정 상태의 염료는 적색 형광을 나타내고, 유기 용매에 녹인 용액 상태에선 녹색 형광을 나타낸다. PMMA 같은 고분자 물질 속에선 형광염료가 청색 형광을 나타낸다.(그림 2) 이러한 현상은 주변 환경에 형광 염료의 구조변화가 영향을 받기 때문이다. 고체 결정 상태의 염료는 `V`형으로 꺾인 분자가 서로 조밀하게 겹쳐지면서 분자 간 상호작용(π-겹침 효과)에 의해 전체적으로 에너지 준위가 낮아져 안정화되어 적색 형광을 나타낸다. 용액 상태에서는 형광 염료의 잠자리 날개짓 같은 형태변화가 자유롭게 일어난다. 하지만 형광염료가 고분자나 점도가 매우 높은 물질의 용액 속에 존재할 경우 주변 환경이 염료의 형태 변화를 방해하는 요인으로 작용하는 것이다. 온도, 압력 등의 환경요인은 형광 염료 분자의 형태 변화에 영향을 미칠 수 있는 요인이다. 따라서 이는 형광 염료와 유사한 구조의 분자가 온도나 압력 측정에 센서로 활용될 수 있다는 것을 의미한다. 이상의 연구 성과는 미국화학회에서 발행하는 미국화학회저널(Journal of the American Chemical Society) 온라인 속보판으로 공개되었다. <Journal References> A π-Conjugated System with Flexibility and Rigidity That Shows Environment-Dependent RGB Luminescence. Shigehiro Yamaguchi et. al., J. Am. Chem. Soc. 2013, DOI: 10.1021/ja404198h s_saito@chem.nagoya-u.ac.jp; sirle@chem.nagoya-u.ac.jp; yamaguchi@chem.nagoya-u.ac.jp 그림1 설명: 형광 염료 분자의 형태 변화(R은 수소 또는 n-부틸 그룹이다) 그림2 설명: 왼쪽부터 고분자 용액, 디메칠클로리드 용액, 고체 결정의 형광 사진  1370611022675.jpg  1370610982839.jpg http://cen.acs.org/articles/91/web/2013/06/Molecule-Colors.html

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