분자기계라는 것이 있다고 합니다.

안녕하세요?

예전에 '지식-인류 최후의 지식'이라는 책을 보면, 인류가 기계를 사용한 것은 꽤나 오래 전 부터 일어난 일이라는 것을 알 수 있습니다. 그런데, 이러한 유구한 역사를 자랑하는 기계 중에서도 '분자기계'라는 것이 있다고 합니다. 마침 과학동아 2018년 4월호에 이 '분자기계(molecular machine)'이라는 것이 있으니, 이에 대해서 포스팅을 하고자 합니다.

박테리아와 같은 아주 작은 생물체-미생물의 내부에서도 기계적인 움직임이 일어 나는데, 머리카락 지름의 500분의 1에 해당하는 12~19nm의 매우 작은 '편모'가 모터처럼 회전을 하기에, 박테리아는 마치 모터보트와 같이 앞으로 나아가는 것이 가능 하다고 합니다. 그러나 '분자기계'는 이 박테리아의 편모 보다도 더 작은 기계를 말한다고 합니다.

처음으로 합성이 된 '분자기계'는 바로 '캐터네인(catenane)'이라고 하는데, 1983년 프랑스 스트라스부르그대 교수팀이 합성한, 2개의 고리형 분자가 마치 쇠사슬처럼 연결이 되어서 회전운동을 제어할 수 있다고 합니다. 이 캐터나인의 구조는 말 그대로 아래의 그림처럼 간단합니다.

그리고 이어서 개발이 된 분자기계는 바로 '로탁세인(Rotaxane)'이라고 해서, 얇고 긴 분자에 한개의 고리가 꿰어진 채로 가운데에 끼워져 있는 얇은 분자-마치 작대기와 같은 분자의 아무 랜덤한 위치에서 멈추게 된다고 합니다. 이 '로탁세인'의 경우에는 아래의 그림과 같이 되어 있다고 합니다.

기사에서는 이 로탁세인의 움직임을 제어 해서 '분자 엘리베이터'에 대한 것이 나와 있었습니다. 간단히 설명을 하자면 로탁세인에서 아무 위치에서나 정지하는 고리의 위치를 '제어'할 수 있게 만들어서, 마치 사용자의 의도에 따라서 움직이는 기계를 만들고자 한다고 합니다.

특이하게도 로탁세인은 위 아래로 움직일 경우 0.7nm떨어진 거리만 움직일 정도로 작기에, 이를 이용해서 '인공근육'을 만들고자 하는 연구 있다고 합니다. 또 한 로탁세인 분자 1개가 기존의 메모리를 구성하던 트랜지스터와 커패시터 역할을 대신 하기에 '분자 메모리'로써 응요하기 위한 연구도 있다고 합니다.

다만 이 블로그에서 이전에 포스팅을 하였는 DNA메모리나 원자 메모리가 있기에 '분자 메모리'의 실용성이나 상용화에 대해서는 잘 모르겠습니다. 다만 위에서 나온 '분자1개의 활용'은 일부일 뿐이고, 실제로는 재료공학, 기계공학, 의료공학 등에서 많은 변화를 가져올 수 있기에, 앞으로가 더 기대가 되는 분야라고 보면 될 듯 합니다.