경상국립대학교 귀금속 착물 기반의 다공성 초분자 구조체 연구실(2025년 11월호)

경남 진주시 가좌동 진주대로 501 경상국립대학교 자연과학대학 2호관

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경상국립대학교 귀금속 착물 기반의 다공성 초분자 구조체 연구실(연구단장 화학과 정종화 교수)은 귀금속 이온인 Pt와 Pd를 활용해 새로운 초분자 구조를 설계하는 연구를 진행하고 있다. 이들 금속 이온은 평면 사각형 형태의 독특한 배위 구조를 가지며, 강한 결합 방향성을 통해 안정적이고 정교한 초분자 구조체를 만들기에 적합하다. 이러한 특성 덕분에 다양한 기능성 초분자 물질을 구축할 수 있는 중요한 구성 단위로 주목 받고 있다.

본 기초연구실에서는 이러한 귀금속 기반 초분자 구조체를 활용하여 생체 분자와 유사한 성질을 모사하고, 단백질-리간드 상호작용이나 약물 전달 같은 생체모방 시스템을 탐구한다. 동시에 나노스케일의 정밀한 크기와 내부 공간을 이용해 광촉매, 비대칭 촉매, 센서, 에너지 저장 재료, 유해물질 검출 등 다양한 응용 가능성도 열어가고 있다.

궁극적으로 연구실의 목표는 초분자 화학의 새로운 가능성을 탐구하면서 에너지· 환경 문제 해결과 바이오 융합 기술 발전에 기여할 수 있는 기반을 마련하는 것이다. 이러한 연구는 학문적 호기심을 충족시킬 뿐만 아니라, 미래 사회가 필요로 하는 혁신적 소재 개발로 이어질 수 있다는 점에서 중요한 의의를 가진다. 또한 초분자 나노 소재에 대한 깊은 이해를 바탕으로 창의적으로 독립적인 연구 역량을 갖춘 인재를 길러내는 데에도 중점을 두고 있다. 이를 통해 국제적으로 경쟁력 있는 연구 인력을 배출하고, 기능성 소재 분야의 미래 를 선도할 연구 기반을 다져가고자 한다.

1. 귀금속 착물의 자기조립 기반 다공성 초분자 설계

자기-조립(self-assembly)을 이용한 귀금 속 착물의 비대칭 구조 형성은 생체모방 시스템, 비대칭 촉매, 광학 활성 소재 개발 등 다양한 분 야에 응용될 수 있으며, 특히 카이랄성(Chirality) 의 유도 및 증폭의 메커니즘 규명, 또는 원편광발광(circularly polarized luminescence, CPL) 과 같은 기능성 소재 개발에 활용되고 있다. 본기초연구실은 Pt(II) 및 Pd(II) 이온을 중심으로, 귀금속 착물 형성을 위한 π-콘쥬게이션된 (head-type) 빌딩블록과, 가역적인 초분자 상호작용을 유도할 수 있는 실린더형(tail-type) 구조의 빌딩블록을 설계하여, 다양한 생체모방형 다공성 초분자 구조체의 개발을 목표로 연구를 수행하고 있으며, 국내외 유수의 학술지에 관련 성과를 지속적으로 발표하고 있다.

2. 초분자 구조체의 성장 제어

외부 자극(pH, 빛, 온도, 산화–환원 반응 등)을 활용한 반응속도론적 제어 전략은, 비공유결합을 기반으로 자발적으로 형성되는 자기-조립 과정을 지연 또는 억제함으로써 초분자 구조체의 성장 속도와 경로를 조절하는 효과적인 접근 방식으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 외부 자극을 활용하여 초분자 성장 경로를 선 택적으로 조절하고, 그에 따른 구조적 변화를 분광학적 및 형태학적 구조분석을 통해 다양한 외부 자극 조건 에서 응답하는 초분자 시스템을 개발하고자 한다. 또한 비선형적 초분자 성장 거동의 반응속도론적 이해를 기반으로 복잡한 다공성 초분자 시스템의 성장제어 및 형성 메커니즘을 규명하고자 한다.

3. 다공성 초분자 구조체의 카이랄성 제어 연구

카이랄 배열이 가능한 다성분 빌딩블록을 초분자 시스템에 도입함으로써 다양한 나선형 배열과 구조적 다양성을 구현하고, 이를 기반으로 키랄성이 유도되거나 조절 가능한 초분자 시스템을 설계하고자 한다. 특히 입체 선택적 자기-조립 과정을 통해 비선형적 카이랄 증폭 현상을 규명하고, 카이랄 배열에 의해 유도되는 원편광 발광(CPL) 특성의 g-factor를 분석하여 다양한 응용 가능성을 탐색한다. 더불어 카이랄 형상을 가진 금속 나노결정 빌딩블록을 다공성 초분자 구조체에 도입함으로써, 나노결정-초분자 복합화 메커니즘을 규명하고, 표면 플라즈몬 공명 및 표면 기능화 전략을 활용하여 초분자 구조체 내 카이랄 특성을 규명하고자 한다. 더 나아가 초분자 복합 구조의 형상 및 광학적 특성의 상관관계을 규명하기 위해 투과 전자현미경의 단층촬영 기법을 활용해 다공성 초분자 복합체의 3차원 나선형 형상과 금속 이온의 분포를 시각화하고, 분광학적 데이터와 연계하여 다공성 초분자 구조체에서 카이랄성의 형성 원리를 정립하고자 한다.

4. 다공성 초분자 구조체의 생체 적합도 및 약물전달 시스템

생체 적합성과 환경 독성물질 감지를 위한 응용을 목적으로, 본 연구는 다공성 초분자 구조체를 기반으로 한 약물 전달 시스템과 유해물질 검출 시스템을 개발하고자 한다. 생체 시스템의 자기조립 메커니즘을 모방하여 특정 효소 반응, 에스터화 또는 치환 반응에 의해 형성되거나 가역적으로 재조립 가능한 초분자 구조체를 기반으로, 외부 자극(pH, 이온, 효소, 온도, 빛 등)에 반응하는 구조적 변화를 유도함으로써 약물의 방출을 정밀하게 조절할 수 있는 스마트 운반체로 활용할 수 있다. 또한, 초분자 구조체 내 약물과의 물리·화학적 상호 작용을 분석하고, 해체 및 재조립 메커니즘을 규명하며, 바이오센서 및 생체적합성 평가를 병행하여 약물전달 시스템으로서의 실용성을 규명한다. 이 를 통해 본 연구는 생체모방형 스마트 약물전달 시스템으로서의 초분자 구조체의 응용 가능성을 제시하고자 한다.

5. 다공성 초분자 구조체를 이용한 비대칭성 촉매 연구

Pd(II) 및 Pt(II) 착물을 기반으로 한 다공성 초분자 구조체는 광반응 및 비대칭 촉매 반응에서 중요한 역할을 수행할 수 있으며, 특히 광학활성 기능을 지니거나 광학활성 물질과의 결합을 통해 고 선택성과 고효율 을 갖는 광촉매 시스템으로 활용될 수 있다. 다공성 초분자 구조체는 비대칭 [2+2] 광고리화 반응이나 Michael 첨가 반응과 같은 입체선택적 반응에서 뛰어난 활성과 선택성을 가질 수 있으며, 비대칭 광촉매 반응을 통해 고효율의 β-아미노산 유도체 합성이 가능하다. 또한, 다공성 초분자 구조체의 크기 및 포어(pore) 조절에 따른 입체선택적 촉매 활성, 온도 및 광원 변화에 따른 반응 경로 제어, 광학적 특성(흡수, 발광, 양자 효율, 수명 등) 평가를 통해 카이랄 다공성 초분자 구조체의 기능적 잠재력을 탐색하고자 하며, 동시에 기계 적 강도와 화학적 안정성 등 촉매 시스템으로서의 내구성 또한 규명하고자 한다.

경상국립대학교

귀금속 착물 기반의 다공성 초분자 구조체 기초연구실

정종화 연구책임자 / 경상국립대학교 화학과 교수

경상국립대학교 화학과 정종화 교수를 책임연구자로 하는 기초연구실(BRL) 과제가 본격 추진된다. 이번 과제는 “귀금속 착물을 기반으로 한 초분자 구조체 연구”를 주제로, 차세대 기능성 소재 개발과 응용 가능성 확대를 목표로 한다.

●  전공: 무기화학, 초분자 소재화학

●  대표 연구성과(최근 10년)

1. Lim, S.; Cho, Y.; Kang, J. H.; Hwang, M.; Park, Y.; Kwak, S. K.; Jung, S. H.; Jung, J. H. Metallosupramolecular Multiblock Copolymers of Lanthanide Complexes by Seeded Living Polymerization. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 18484.

2. Oh, J. S.; Kim, K. Y.; Kim, M.; Kim, S.; Jung, S. H.; Jung, J. H. Chiral Supramolecular Multiblock Copolymerization Accompanying Chirality Transfer in Heterostructures via Living Chain Growth. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202300913.

3. Kang, S. G.; Kim, K. Y.; Cho, Y.; Jeong, D. Y.; Lee, J. H.; Nishimura, T.; Lee, S. S.; Kwak, S. K.; You, Y.; Jung, J. H. Circularly Polarized Luminescence Active Supramolecular Nanotubes Based on PtII Complexes That Undergo Dynamic Morphological Transformation and Helicity Inversion. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202207310.

4. Oh, J. S.; Kim, K. Y.; Cho, Y.; Kang, J. H.; Kwak, S. K.; Jung, S. H.; Jung, J. H. Dynamic Transformation of a Ag+-Coordinated Supramol- ecular Nanostructure from a 1D Needle to a 1D Helical Tube via a 2D Ribbon Accompanying the Conversion of Complex Structures. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 3113.

5. Lee, S.; Kim, K. Y.; Jung, S. H.; Lee, J. H.; Yamada, M.; Sethy, R.; Kawai, T.; Jung, J. H. Finely Controlled Circularly Polarized Luminescence of a Mechano‑Responsive Supramolecular Polymer. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 18878.

6. Kim, K. Y.; Kim, J.; Moon, C. J.; Liu, J.; Lee, S. S.; Choi, M. Y.; Feng, C.; Jung, J. H. Co‑Assembled Supramolecular Nanostructure of Platinum(II) Complex through Helical Ribbon to Helical Tubes with Helical Inversion. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 11709.

7. Choi, H.; Cho, K. J.; Seo, H.; Ahn, J.; Liu, J.; Lee, S. S.; Kim, H.; Feng, C.; Jung, J. H. Transfer and Dynamic Inversion of Coassembled Supramolecular Chirality through 2D‑Sheet to Rolled‑Up Tubular Structure. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 17711.

8. Lee, J. H.; Park, J.; Park, J.-W.; Ahn, H.-J.; Jaworski, J.; Jung, J. H. Supramolecular Gels with High Strength by Tuning of Calix[4]arene- Derived Networks. Nat. Commun. 2015, 6, 6650.

●  수상

- 시그마-알드리치 화학자상(2011), 무기화학 우수상(2013), 이달의 과학자상(2017), 이태규 학술상 (2022), 김시중 학술상 (2024)

김주영 참여연구자 / 경상국립대학교 화학과 교수

재료화학과 무기화학을 바탕으로 하이브리드 나노소재를 개발하여 광화학적 응용을 연구하고 있다. 특히 액상 전자현미경을 활용해 플라즈모닉 나노입자의 자기조립 메커니즘을 규명하였으며, 이방성 나노입자의 배열을 제어해 대면적 초격자 구조를 구현하고 이를 분자 검출 센서로 활용하였다.

●  전공: 재료화학, 나노화학/ 전문성: 하이브리드 나노구조체 개발 및 삼차원 구조 분석

●  대표연구 업적

1. Lee, J.; Pérez-Juste, I.; Pérez-Juste, J.; Pastoriza-Santos, I.; Kim, S.; Nam, S. Y.; An, H.; Liz-Marzán, L. M.; Kim, J. Curvature-Directed Patch Formation on Gold Nanocubes by Thermally Induced Polymer Redistribution. Adv. Sci. 2025, e10020.

2. Bae, C.; Cho, H.-J.; Kim. J. H.; Song. X.; Kim, J. Sulfur-Functionalized MOF via Ligand Additive-Stabilized SALE for Efficient Hg²⁺ Ion Re- moval. Small 2025, 21, 2503637.

3. Zhang, X.; Yang, D.; Kim, S.; Zou, B.; Kim, J.; Song, X. Investigating the Block Copolymer Deposition on Au Nanoparticle Surface via Graphene Liquid Cell. Nano Today 2025, 61, 102591.

4. Jeon, Y.; Medvedev, J.; Seong, Y.; Medvedeva, X.; Bae, C.; Kim, J.; Klinkova, A.; J. Kim. Enhanced Urea Oxidation Reaction Through Lay- ered Double Hydroxides: Insights from ZIF-67-Derived Nanostructures. EcoMat 2025, 7, e12510.

5. Kim, S.; Woo, S.; Bae, C.; Jeon, Y.; Seong, Y.; Li, S.; Kim, J. Harnessing Nanoscale Spatial Effects in Inner-Modified Zeolitic Imidazolate Framework-8 for Enhanced Knoevenagel Condensation Reaction. Inorg. Chem. Front. 2024, 11, 2608.

정성호 참여연구자 / 경상국립대학교 화학과 교수

초분자 형성과정에서 반응속도론적 개념을 도입하여 제어 가능한 초분자 시스템개 발 연구를 수행하고 있다. 동적이며 가역적인 비공유 결합을 통해 열역학적 평형에 도달하는 초분자 시스템을 설계하고, 다중 성분 초분자 중합체의 효율적 합성과 특성화를 진행하였다. 또한 빛, 기계적 힘, 온도 등 외부 자극에 응답하는 금속-초분자 중합체의 반응속도론적 제어를 통해 분광학적 특성과 배열 특성 간의 상관관계를 규명하였다. 이를 바탕으로 스마트 재료, 센서, 약물 전달 시스템으로의 응용 가능성을 확장하고 있다.

●  전공 : 무기화학, 초분자 화학 / 전문성: 반응속도론 기반 제어 가능한 초분자 시스템 개발

●  대표연구 업적

1. Jung, S. H.; Jeon, J.; Kim, H.; Jaworski, J.; Jung, J. H. Chiral Arrangement of Achiral Au Nanoparticles by Supramolecular Assembly of Helical Nanofiber Templates. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6446.

2. Endo, M.; Fukui, T.; Jung, S. H.; Yagai, S.; Takeuchi, M.; Sugiyasu, K. Photoregulated Living Supramolecular Polymerization Established by Combining Energy Landscapes of Photoisomerization and Nucleation–Elongation Processes. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 14347.

3. Jung, S. H.; Bochicchio, D.; Pavan, G. M.; Takeuchi, M.; Sugiyasu, K. A Block Supramolecular Polymer and Its Kinetically Enhanced Stability. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10570.

4. Oh, J. S.; Kim, K. Y.; Cho, Y.; Kang, J. H.; Kwak, S. K.; Jung, S. H.; Jung, J. H. Dynamic Transformation of a Ag+-Coordinated Supramolecular Nanostructure from a 1D Needle to a 1D Helical Tube via a 2D Ribbon Accompanying the Conversion of Complex Structures. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 3113.

5. Kim, M.; Choi, H.; Kim, M.; Kim, S.; Yun, S.; Lee, E.; Cho, J.; Jung, S. H.; Jung, J. H. Pathway Control in Metallosupramolecular Polymerization of a Monoalkynylplatinum(II) Terpyridine Complex through Competitive Complex Formation. Chem. Sci. 2024, 15, 19729.

이해리 참여연구자 / 한남대학교 화학과 교수

무기화학과 분석화학을 기반으로 케이지형 기공성 금속 착물을 설계하고, 합성된 초분자체의 구조 변화 및 호스트–게스트 화학을 연구하고 있다. 특히 양전하를 띤 케이지 구조 내에서 음이온성 및 중성 분자의 저장과 인식을 규명하고 이를 분자센서로 응용하고 있다. 또한 금속착물을 활용한 전기화학 촉매 개발과 다양한 결정성 초분자체 합성 연구를 수행하고 있다.

●  전공 : 무기화학/ 전문성: 팔라듐 착물 기반 배위화학 및 결정성 초분자 합성

●  대표연구 업적

1. Lee, H.; Noh, T.-H.; Jung, O.-S. Construction of Hetero-Four-Layered Tripalladium(II) Cyclophanes by Transannular π⋅⋅⋅π Interactions. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 1005.

2. Lee, H.; Kim, D.; Oh, H.; Jung, O-S. Molecular balloon, Pd₆L₈ cages: recognition of alkyl sulfate surfactants. Chem. Commun. 2020, 56, 2841.

3. Lee, H.; Han, J.; Kim, D.; Jung, O.-S. Interconversion between a Pd₃L₂ Trigonal Prism and a Pd₆L₈ Cube via Anion Exchange: Binding Affinity of Monoatomic vs. Polyatomic Anions. Dalton Trans. 2021, 50, 14849.

4. Lee, H.; Tessarolo, J.; Langbehn, D.; Baksi, A.; Herges, R.; Clever, G. H. Light‑Powered Dissipative Assembly of Diazocine Coordination Cages. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 3099.

5. Zhang, B.; Lee, H.; Holstein, J. J.; Clever, G. H. Shape-Complementary Multicomponent Assembly of Low-Symmetry Co(III)Salphen-Based Coordination Cages. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202404682.