공유결합성 유기 프레임워크(covalent organic frameworks, COFs)는 구조를 조절할 수 있고, 정렬된 나노채널을 가지며, 사슬의 분절 운동이 억제되어 리튬(Li) 금속 배터리를 위한 유망한 고체 전해질(solid-state electrolytes, SSEs)로 주목받고 있으며, 이러한 특성은 상온에서 Li⁺ 이온 수송을 지지한다. 그러나 펠릿 형태의 COF 기반 SSE는 이온 전도도가 낮았는데, 이는 이온 수송 경로가 최적이 아니고, 결정성이 제한적이며, 광범위한 입계 형성이 나타나기 때문이다. 여기서는 두께 20 µm의 이설폰산기( disulfonate ) 기능화 COF(COF ds ) 필름을 제시하며, 이 필름은 25 °C에서 1.0 × 10 ‒4 S cm ‒1의 이온 전도도를 달성한다. 고정된 이설폰산 음이온과 카보닐기를 통합하면, 채널 간( inter-subchannel ) Li⁺ 홉핑이 최소한의 공간적 분리로 가능해진다. 적용 전기장 하에서의 분자 동역학(molecular dynamics, MD) 시뮬레이션은 분자 설계가 최적화된 Li⁺ 전도 경로를 촉진함을 확인한다. 용액 상 합성을 통해 제조된 COF ds 필름은 높은 결정성, 균일한 형태, 매끈한 표면을 보였고, 이는 전기화학적 성능을 향상시켰다. 그 결과, COF ds 필름을 사용한 대칭형 Li 셀은 25 °C에서 1300 h 이상 동안 안정적인 사이클링을 보였으며, LiFePO 4 양극을 사용한 전지(full cell )는 0.2 C에서 300 사이클 동안 약 ≈95%의 용량과 99.999%의 콜롬 효율을 유지했다. 본 연구는 Li-금속 배터리에서 COF 기반 SSE를 개발하기 위해 분자 및 구조 공학을 통합하는 것의 중요성을 보여준다.

생체 세포 구형체(spheroid)에서의 유출(efflux) 모니터링은 최소한의 크로스토크로 달성되며, 특히 삼투성 쇼크로 유발된 괴사 및 약물-해독제 동역학을 식별하는 데에 초점을 둔다.

또한 25 °C에서 ≈100 MPa에 이르는 높은 저장 탄성률을 가지며, 연성 구동기(소프트 액추에이터)와 리튬 금속 배터리에 성공적으로 적용될 수 있다.

공유결합성 유기 프레임워크(covalent organic frameworks, COFs)는 구조를 조절할 수 있고, 정렬된 나노채널을 가지며, 사슬의 분절 운동이 억제되어 리튬(Li) 금속 배터리를 위한 유망한 고체 전해질(solid-state electrolytes, SSEs)로 주목받고 있으며, 이러한 특성은 상온에서 Li⁺ 이온 수송을 지지한다. 그러나 펠릿 형태의 COF 기반 SSE는 이온 전도도가 낮았는데, 이는 이온 수송 경로가 최적이 아니고, 결정성이 제한적이며, 광범위한 입계 형성이 나타나기 때문이다. 여기서는 두께 20 µm의 이설폰산기( disulfonate ) 기능화 COF(COF ds ) 필름을 제시하며, 이 필름은 25 °C에서 1.0 × 10 ‒4 S cm ‒1의 이온 전도도를 달성한다. 고정된 이설폰산 음이온과 카보닐기를 통합하면, 채널 간( inter-subchannel ) Li⁺ 홉핑이 최소한의 공간적 분리로 가능해진다. 적용 전기장 하에서의 분자 동역학(molecular dynamics, MD) 시뮬레이션은 분자 설계가 최적화된 Li⁺ 전도 경로를 촉진함을 확인한다. 용액 상 합성을 통해 제조된 COF ds 필름은 높은 결정성, 균일한 형태, 매끈한 표면을 보였고, 이는 전기화학적 성능을 향상시켰다. 그 결과, COF ds 필름을 사용한 대칭형 Li 셀은 25 °C에서 1300 h 이상 동안 안정적인 사이클링을 보였으며, LiFePO 4 양극을 사용한 전지(full cell )는 0.2 C에서 300 사이클 동안 약 ≈95%의 용량과 99.999%의 콜롬 효율을 유지했다. 본 연구는 Li-금속 배터리에서 COF 기반 SSE를 개발하기 위해 분자 및 구조 공학을 통합하는 것의 중요성을 보여준다.

생체 세포 구형체(spheroid)에서의 유출(efflux) 모니터링은 최소한의 크로스토크로 달성되며, 특히 삼투성 쇼크로 유발된 괴사 및 약물-해독제 동역학을 식별하는 데에 초점을 둔다.

또한 25 °C에서 ≈100 MPa에 이르는 높은 저장 탄성률을 가지며, 연성 구동기(소프트 액추에이터)와 리튬 금속 배터리에 성공적으로 적용될 수 있다.

정전기적 상호작용은 대전(帶電) 물질 시스템에서 지배적인 역할을 한다. 거시적 물성들이 미시적 구조와 보이는 복잡한 상관관계를 이해하는 것은 고급 물질을 위한 합리적 설계 전략을 개발하는 데 있어 매우 중요하다. 그러나 전극-전해질 계면 또는 생체막과 같은 대전 물질 시스템에 존재하는 계면은 이러한 어려운 과제의 복잡성을 더욱 가중시킨다. 지난 수십 년 동안, 근본 물리학에 기반하고 대전 계면 시스템에 최적화된 예측 분자 시뮬레이션은 다양한 물질에 대해 물리화학적 특성과 기능 메커니즘의 분자적 이해를 제공하는 데 있어 그 가치를 입증해 왔다. 예측 모델을 활용한 새로운 설계 전략은 원하는 물성을 갖는 물질의 합리적 설계를 위한 유망한 경로로 제안되어 왔다. 본 글에서는 예측 분자 시뮬레이션을 통해 이루어진 대전 계면 시스템의 이해에 관한 최근 성과들을 개관한다. 에너지 물질과 생체 고분자에서 관찰되는 세 가지 유형의 대전 계면에 초점을 맞추어, 분자 모델이 이온 구조, 전하 수송, 환경과의 관계 속 형태(morphology), 그리고 계면에서의 분자 결합에 대한 열역학/동역학을 어떻게 특성화하는지 논의한다. 이러한 비판적 분석은 에너지 물질 분야와 생물학 분야를 공통의 관점으로 연결하여, 오랫동안 서로 분리되어 있던 두 연구 분야 간의 교차연구를 촉진하고자 한다.

이온교환 도핑에서의 최적화된 용매 조건은 이온화된 산화환원 작용제와 안정한 반대이온 간의 효과적인 교환을 촉진함으로써, 고도 도핑된 접합 고분자 필름에서 환경 안정성을 향상시켰다.

단백질 공학에서 연구자들은 다양한 응용 분야로 기능을 확장하기 위해 단백질이 아닌 비단백질 개체를 단백질에 도입하는 방식을 광범위하게 탐구해 왔으나, 단백질의 정밀한 변형을 구현하는 일은 여전히 어렵다. 본 연구는 ‘느린 반응성 및 가수분해 저항성’ 데옥시오옥사노신(dOxa)을 ‘표적 및 에피토프 선택성’ 아프타머에 통합함으로써, 비공학(비엔지니어드) 단백질에 대한 에피토프 및 모이어티 선택적 결합을 제시한다. 아민-반응성 dOxa를 포함하는 아프타머는 인식 부위에서 우세하게 단일 라이신 선택성을 나타내며, 촉매가 없는 원팟(one-pot) 반응을 통해 생리 유사 조건의 복잡한 환경에서도 비표적 반응을 현저히 낮추면서도 결합 수율을 크게 높인다. 당량이 제어된 다양한 단백질에 대한 단백질- DNA 결합체를 효율적으로 제조할 때, 높은 결합 선택성은 효소 기능의 반영구적 조절, 단백질 혼합물에서의 표적 표지, 그리고 단일 단백질의 이종기능화까지 가능하게 한다. 또한 dOxa를 포함하는 아프타머는 비표적들 중에서 표적 단백질의 인식 부위에 선택적으로 반응하므로, 아민이 풍부한 세포 배지에서 살아있는 세포 표면의 뉴클레올린(nucleolin)과 PTK7에 대해 생체정합적(bioorthogonal) 표지를 수행하고, 이들의 서로 다른 분포를 관찰함을 보여준다. 아프타머에 의해 dOxa의 위치를 유도하는 접근은 복잡한 환경에서 고유 부위 특이적으로 천연 단백질을 변형하는 유망한 전략을 제공하며, 핵산과 단백질 간의 시너지 협업을 위한 새로운 길을 열어준다.

액정(LC)은 액체와 결정의 고유한 성질을 독특하게 결합함으로써 분자 수준의 사건을 감지하고 이를 거시적 광학 출력으로 증폭할 수 있어, 자극 반응형 재료로서 널리 사용되고 있다. 그러나 특정 분자 간 사건에 대해 높은 수준의 선택성을 부여하는 일은 여전히 핵심 과제로 남아 있으며, 이에 따라 화학적으로 기능화된 LC 계면에 관한 선행 연구들이 이루어져 왔다. 본 연구에서는 LC 계면에서 새 기능 분자, 유기 이온성 플라스틱 결정(OI)이 LC와 갖는 배향(orientational) 결합에 대한 심층적 근본 이해를 바탕으로, 화학 반응성(chemo-responsive) LC의 설계를 유의미하게 진전시키기 위한 통합적 전략을 제안한다. 계산 시뮬레이션과 실험적 검증을 함께 수행함으로써, OI의 각 기능기(이-카티온성 머리기, 알리파틱 사슬, 대향 이온)가 LC와 상호작용하는 상관적 연관성을 밝혀, LC의 화학 반응성 특징을 조절하는 데 탁월한 자유도를 제공한다. 특히, OI의 결정성은 대향 이온이 미치는 영향에 대한 새로운 통찰을 제공하여, 인접 분자들과의 구별되는 사중극자(Quadrupolar) 상호작용을 유도함을 확인하였다. 종합하면, 본 결과는 아세트산에 대한 OI의 분자 결합과 프로피온산에 대한 OI의 분자 결합(탄소 1개 차이)처럼 특정 분자 간 사건을 명시적으로 구별할 수 있는 화학 반응성 재료를 위한 일반화 가능한 설계 원리를 제공한다.

에너지 준위와 전기 전도도를 정밀하게 제어할 수 있는 접합 고분자의 도핑은 도핑 효율이 낮다는 이유로 난관에 부딪혀 왔다. 생성된 대부분의 전하 운반자는 쿨롱 상호작용을 통해 도핑제 반대이온에 결합되어 있으며, 그 결과 소량의 전하만이 자유 상태로 남는다. 고분자에 내재된 에너지적 무질서는 이론적으로 예측되는 쿨롱 전위 장벽을 감소시키고, 결합된 전하가 방출되어 이동성 있는 상태로 전환되는 것을 용이하게 할 수 있을 것으로 여겨지지만, 이러한 가설은 충분히 정량화되지 않았다. 본 연구에서는 접합 고분자의 에너지적 무질서가 활성화 에너지를 감소시킴으로써 자유 전하의 방출에 어떻게 영향을 미치는지 조사하여, 무질서가 도핑 효율에 미치는 효과를 정량적으로 평가한다. 구체적으로, 모델 접합 고분자인 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) 박막의 결정성 변형으로부터 비롯되는 에너지적 무질서와 자유 전하의 양 및 도핑 효율의 상관관계를 살펴본다. 결정성이 낮고 정적 에너지적 무질서가 높은 특성을 갖는 regiorandom P3HT 박막은 자유 전하의 농도가 증가한다. 그 결과, 자유 전하를 전체 전하로 나눈 값으로 정의되는 도핑 효율이 향상된다. 우리는 본 연구 결과가 고전도성 도핑 고분자 재료의 개발을 위한 분자 설계 전략과 재료 선택에 지침을 제공할 것으로 기대한다.