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그래핀은 sp2 혼성화에 의해 단단히 결합된 단층의 탄소 원자에 의해 형성된 2 차원적 원자 결정체로 투과성이 높고 선택성이 높은 투과막을 제조하는데 이상적인 재료이므로 그래핀을 통한 유기 분자 연구는 매우 중요하다. 기존에 이론적인 예측이 이루어졌지만, 결함이 없는 그래핀이 대부분의 원자와 분자에는 불투과성이기 때문에, 많은 장벽이 있는 난공불락이라고 할 수 있다. 유기 분자가 그래핀을 통과한다는 것은 현실적으로 아직 실험적 증거가 매우 드물다. 이론적으로 Stone-Wales 결함이 있는 화학 기상 증착 (CVD) 그래핀 (graphene)에서도 헬륨 분자도 불침투성이라고 예측된다. 이에 대해 최근 독일 드레스덴 대학의 Rainer Jordan 교수팀의 장도(张涛, Zhang Tao) 와 중국과학원 닝보 재료 기술 공학 연구소의 진도(陈涛, Chen Tao)연구팀은 실험과 이론적 예측을 통해서 새로운 아이디어를 제안하였다. 즉 표면 제어 라디칼 중합 반응은 비닐 모노머가 칼이 되어 단일층 그래핀을 방패를 통과할 수 있도록 한 것이다(Nat. Commun. 2018, 9, 4051). 그들의 연구에서, 개시제는 고체 기판의 표면에 선택적으로 결합되어 모노머의 이동 및 후속적인 보충을 유도한다. 단일층 CVD 그래핀이 개시제를 단량체로부터 격리시키는 조건하에, 다양한 크기의 비닐 단량체가 개시제에 의해 단일층 CVD 그래 핀을 통과하여 성공적으로 표면 개시 중합을 달성할 수 있음이 입증되었다. 연구진은 단일 층 두께의 그래 핀이 유리 라디칼 개시제와 단량체 (및 촉매) 사이의 전기적 상호 상호 작용을 차단할 수 없기 때문에 개시제가 그래핀의 다른 끝 부분에서 단량체를 구동하며 이동할 수 있게 된다는 것을 발견했다 . 동시에, 제어된 라디칼 중합의 특성은 단량체가 안정한 속도로 그래핀의 다른 말단으로 연속적으로 운반되게 하고, 그래핀으로 덮인 표면에 중합체 분자 브러시가 얻어진다. 마지막으로, 그래핀으로 덮인 폴리머 분자 브러시의 두께와 형태를 연구함으로써 단일층의 그래핀을 통과하는 여러 유형의 모노머의 거동 및 비율을 계산할 수 있다. 최종 결과는 다양한 크기의 중성 단량체가 조절된 라디칼 중합에 의해 구동되는 것에 의해 자체 함유 결함 사이트를 갖는 CVD 그래핀 단일층을 원활하게 통과 할 수 있고, CVD 그래핀의 자연 결함은 단량체의 통과에 의해 점점 더 커지게 된다. 그러나 전하의 상호 작용 때문에 양성이거나 음전하를 띤 단량체가 그래핀을 통과할 때 심각하게 차단되어 속도가 크게 느려진다. 흥미롭게도, 미세 패턴 된 개시제를 어레이 방식으로 사용하는 경우, 음이온성 단량체는 그래핀 단일층 필름 내로 침투 될 때 선택적으로 그래핀을 절단하여 각종의 미리 결정된 미세 패턴을 만들고, 패턴화된 폴리머 브러시가 얻어진다. 분자에 외부 구동력을 가함으로써 비교적 큰 분자량을 갖는 중합된 단량체와 같은 유기 분자가 단층 CVD 그래핀을 통과 할 수 있으며, 분자의 전하가 침투 거동에 미치는 영향은 분자 자체의 크기보다 크다. 이 연구는 단일층 그래핀의 침투성에 대한 새로운 증거를 제공하고 그래핀을 분자 스크리닝의 도구로서 응용할 수 있다는 아이디어를 새로 제공하게 되었다.위의 연구는 중국 유학기금위원회, 중국자연과학기금, 중국과학원의 프론티어 과학 핵심 연구 프로젝트 (QYZDB-SSW-SLH036) 및 중국 과학원 해양 신소재 및 응용 기술 핵심 연구실의 자금 지원을 받았다. |
