라이트닝 바카라 반응의 성공적인 원자 수준 시각화

나노탄소 특성화 ​​팀 코시노 마사노리(리더: 스에나가 카즈토모), 나노튜브 연구 센터(이지마 스미오)의 오카자키 토시야(수석 연구원), 나노기술 자기조립 나노전자 그룹 카타우라 히로미치(리더) 산업기술종합연구소(AIST)(원장 노마쿠치 타모츠), 니미 요시코(연구기술보조), 일본 과학기술진흥청(JST), 도쿄대 이학대학원 라이트닝 바카라과 나카무라 에이이치(교수)가 공동으로 이량체화 반응의 반응성과 선택성을 원자 수준에서 분석하는 데 성공했다 풀러렌 분자의

이 연구에서 그룹은 단일벽 탄소 나노튜브에 풀러렌 분자를 가두고 농도, 온도, 금속 원자의 효과 및 부여된 에너지와 같은 매개변수를 변경하여 분자의 라이트닝 바카라 반응성을 최적화함으로써 수차 보정 시스템을 갖춘 고해상도 전자 현미경으로 분자의 라이트닝 바카라 반응을 시각화했습니다 시각화를 통해 각 분자의 방향이 반응에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다 이 기술은 신약 개발 등 다양한 반응 메커니즘의 해명과 분자 설계 등 다양한 응용 분야가 있을 것으로 기대됩니다

ERATO 연구 프로젝트 "나카무라 활성 탄소 클러스터 프로젝트"(연구 총괄 책임자: 나카무라 에이이치)와 CREST 연구 분야의 연구 주제 "분자 및 원자 수준에서 연성 물질을 관찰할 수 있는 저가속, 고감도 전자 현미경 개발"(연구 대표: 스에나가 카즈토모)에서 얻은 결과입니다 "새로운 측정 및 분석 기반 "물질 현상의 해명 및 응용에 기여하는 기술"(연구 총괄 책임자: 타나카 미치요시, 도호쿠 대학 명예 교수)이라는 제목으로 이 프로젝트는 JST의 기초 연구 프로그램에 따라 수행되었습니다 연구 내용은 2010년 1월 11일 오전 3시(일본 표준시) 오전 3시 영국 과학 저널 "Nature Chemistry"의 온라인 판에 게재됩니다

C 모델60라이트닝 바카라 오각형과 육각형의 어느 꼭지점 또는 어느 면에서 두 분자가 결합됩니까?

라이트닝 바카라 반응은 호흡 및 소화와 같은 생명 활동에 필수적인 친숙한 반응부터 라이트닝 바카라 합성 및 에너지 전환과 같은 현대 산업에 필수적인 반응까지 다양합니다 분자의 반응성 부분은 이론적으로 어느 정도 예측할 수 있지만 일부 실제 라이트닝 바카라반응에서는 이러한 예측이 매우 어렵습니다 한 가지 예는 서로 다른 라이트닝 바카라 반응이 동시에 일어나고 다양한 제품이 얻어지는 풀러렌 분자의 융합입니다 기존의 라이트닝 바카라 분석은 통계를 바탕으로 수많은 분자의 평균 거동을 분석했기 때문에 다양한 혼합 생성물을 생성하는 반응에는 효과적이지 않았습니다 오히려 나노기술이라는 새로운 기술을 통해 개별 분자의 거동을 분석하고 반응을 명확하게 할 수 있다고 믿어집니다 라이트닝 바카라반응 과정에서 나타나는 원자정보는 알려지지 않은 여러 현상을 밝혀줄 것으로 기대된다 이것이 나노기술에 대한 새로운 분석이 요구되고 발전되는 이유이다

유기 분자는 가벼운 원소로 구성되어 있습니다 그러한 가벼운 분자의 거동을 원자 수준에서 관찰하는 것은 매우 어려웠습니다 그러나 최근에는 나노미터 크기의 내부 공간을 가진 탄소 나노튜브에 작은 유기 분자 하나를 가두어 그 거동을 관찰하는 것이 가능해졌습니다 이 감금 기술이 분자 행동 분석에 적용될 수 있음이 입증되었습니다 다음 목표 중 하나는 라이트닝 바카라 반응에 관련된 각 분자를 원자 수준에서 시각화하는 것입니다 시각화를 통해 다른 분석 방법으로는 얻을 수 없었던 지식을 제공하고, 원자 수준의 라이트닝 바카라 반응에 대한 이해에 기여하고, 반응 메커니즘을 해명할 수 있을 것으로 기대됩니다

이 그룹은 고속 푸리에 변환 이미지 처리와 결합하여 낮은 가속 전압과 수차 보정 시스템을 갖춘 전자 현미경을 사용하여 탄소 나노튜브에 갇힌 풀러렌 분자의 반응 과정을 원자 수준에서 관찰하는 데 성공했습니다 전자현미경의 발달로 초저온(-269℃), 낮은 가속전압(80kV) 등 다양한 환경에서 고해상도 관찰이 가능해졌다 결과는 분자 행동과 라이트닝 바카라 반응이 제어될 수 있음을 나타냅니다

두 개의 라이트닝 바카라 분자에 전자빔을 조사하면 이량체화가 발생하는 것으로 알려져 있습니다 본 연구에서는 라이트닝 바카라 분자(직경: 07~08 nm)를 탄소나노튜브(내경: 12~15 nm)에 가두어 수차보정 시스템을 갖춘 전자현미경을 이용하여 분자간 이합체화를 원자 수준에서 관찰했습니다

그림 1과 같이 C의 전송 이미지₆₀라이트닝 바카라 분자는 전자현미경을 사용하여 얻어지며 투명해 보입니다 현미경의 해상도가 향상됨에 따라 나노튜브의 줄무늬 패턴이 라이트닝 바카라 분자의 고유 패턴과 겹쳐져 라이트닝 바카라 분자의 구조 분석을 방해합니다 이 이미지의 수학적 처리(예: 고속 푸리에 변환 계산)를 통해 튜브의 줄무늬 패턴을 제거하고 라이트닝 바카라 분자의 패턴을 드러낼 수 있습니다 이를 통해 우리는 원자 수준에서 분자를 관찰할 수 있었습니다 라이트닝 바카라 분자 위와 아래의 두 선은 탄소 나노튜브의 벽을 나타냅니다

그림 1 C의 전자현미경 이미지60탄소나노튜브에 갇힌 라이트닝 바카라 분자(위)와 나노튜브의 줄무늬 패턴이 없는 이미지(아래)

그림 2a는 C의 변화에 ​​대한 전자현미경 이미지를 보여줍니다₆₀라이트닝 바카라 분자; 분자는 전자빔으로 조사되고 이량체화에 의해 함께 융합되었습니다 동일한 분자에 빔을 조사하면 이량체화가 왼쪽에서 오른쪽으로 진행됩니다 분자 내의 패턴은 그림 2b에 표시된 이미지에서 나타나며, 여기서 그림 2a의 이미지에서 대비(밝은 부분과 어두운 부분)가 강조됩니다 그림 2c의 모델 이미지는 반응 중에 분자가 어떻게 서로 마주보는지 보여줍니다

그림 2 (a) C의 전자현미경 이미지60라이트닝 바카라 분자 분자들은 전자빔으로 조사되었고 이량체화에 의해 함께 융합되었습니다 왼쪽에서 오른쪽으로 전자량이 증가하며 라이트닝 바카라반응이 진행되었다 (b) 분자의 대비(빛과 어둠)를 강조하는 이미지 (c) 분자의 모델 구조

라이트닝 바카라 반응 과정에서 정보를 얻는 데 사용할 수 있는 분석 방법이 없었습니다 예를 들어 분자의 어느 면이 먼저 결합되는지, C의 오각형 또는 육각형에서 함께 융합되는지 등₆₀라이트닝 바카라 분자 또는 꼭지점의 탄소 원자가 서로 융합되는지 여부 현미경을 사용하여 얻은 실제 이미지(그림 2a의 가장 왼쪽 이미지)를 컴퓨터 시뮬레이션 전자 현미경 이미지와 비교했습니다 결과는 분자 간의 조합의 일부 패턴을 예측할 수 있음을 나타냅니다 조합의 많은 구조가 가정될 수 있지만, 그림 2c에 표시된 [2 + 2] 순환 응축의 모델 구조는 관찰된 이미지와 잘 일치하는 것으로 나타났습니다 왼쪽 분자의 오각형과 육각형 사이의 변과 오른쪽 분자의 육각형 사이의 변이 고리 결합을 형성했습니다

전자빔의 점진적인 조사로 반응이 더욱 진행되면 C의 융합을 통해 땅콩 모양의 구조가 생성됨₆₀라이트닝 바카라 분자가 관찰되었습니다(그림 2a의 왼쪽에서 두 번째) 이 구조에는 다섯 가지 모델 구조가 가정되었습니다 분자 이미지의 대비로 판단하면 이 5가지 구조 중 하나가 선택되었습니다(그림 2c의 왼쪽에서 두 번째)

추가 조사에 의해 땅콩 모양의 분자는 튜브 모양의 분자로 변했습니다(그림 2a의 오른쪽에서 두 번째) 튜브는 키랄성(메시 패턴)에 따라 금속성 또는 반도체성 특성을 나타내는 것으로 알려져 있습니다 관찰된 관형 분자 이미지의 대조를 통해 관이 금속 특성을 나타내는 지그재그형임을 나타냈습니다 마지막으로 관형 분자는 첫 번째 땅콩 모양 분자보다 약간 큰 땅콩 모양 분자(그림 2a의 가장 오른쪽)로 변경되었지만 분자의 대비는 모델 구조를 사용하여 얻은 시뮬레이션 이미지의 그것과 잘 일치했습니다

위에서 설명한 바와 같이 C의 이량체화가 진행됨에 따라₆₀풀러렌 분자, 두 풀러렌 분자의 전자 현미경 이미지의 변화는 분자가 처음 접촉한 후 어떻게 서로 상호 작용하는지, 그리고 라이트닝 바카라 결합의 재구성과 함께 어떻게 융합되는지를 밝힐 수 있습니다

이러한 행동 외에도 다양한 외부 요인이 라이트닝 바카라 반응에 미치는 영향이 자세히 조사되었습니다 요인에는 온도, 탄소나노튜브에 갇혀 있는 분자의 수(농도), 반응 중 금속 원자의 유무, 라이트닝 바카라 반응에 사용되는 적용 에너지 등이 포함됩니다 이 결과는 다양한 실험 조건에서 원자 수준의 라이트닝 바카라 반응을 시각화할 수 있음을 보여줍니다

라이트닝 바카라 반응을 원자 수준에서 관찰하고 온도, 분자의 농도 및 방향, 분자 내 금속 원자의 존재, 반응에 공급되는 에너지의 양 등 실험 환경과 관련된 요소를 제어함으로써 개별 분자의 반응을 제어하고 분석할 수 있습니다 향후 이 기술을 유기 분자 및 생체 분자에 적용하면 생명 과정에 중요한 개별 분자의 반응 메커니즘을 해명하고, 분자 상호 작용의 동적 분석을 가능하게 하며, 구조 라이트닝 바카라을 기반으로 한 분자 설계(예: 신약 개발)를 비롯한 다양한 연구 분야의 개발에 도움이 될 것으로 기대됩니다