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1 우수선도연구기관 자기조립의 한계에 도전 세계적 연구센터로 도약 POSTECH 기초과학연구원 복잡계자기조립연구단 센터장 김기문 교수(POSTECH 화학과) 주소 경상북도 포항시 남구 청암로 77 포항공과대학교 전화 054) 팩스 054) 이메일 홈페이지 임인재 객원기자 / mimohhh@naver.com 화학세계 43

포항공과대학교 전화 054)279-2113 팩스 054)279-9939 이메일 kkim@postech.ac.

2 우수선도연구기관 복잡계자기조립 연구단(Center for Self-assembly and Complexity, 단장 김기문) 은 국가 과학벨트 조성 정책의 일환으로 2011년 설립된 기 초과학연구원(Institute for Basic Science, IBS) 소속의 캠퍼스연구단 (포항공과대학교)으로 2012년 8월에 출범했다. 이 연구단은 자기조립에 Complexity and Emergence 대한 기존 한계에 도전하고, 이를 토대로 새로운 성질을 나타내는 발현 물질을 개발함으로써 새로운 나노 기술과 바이오 기술을 창출하는 것을 목표로 삼고 있다. Self-assembly and Complexity 연구단은 복잡계 자기조립 연구그룹(그룹장 김기문 교수), 이론 및 계 Moleccular Emergent Network Materials 산연구 그룹(그룹장 이영민 교수), 발현물질의 바이오응용그룹(그룹장 Systems 김원종 교수) [그림 1] 등 크게 3개의 세부 연구그룹으로 나누어져 있다. 김기문 연구단장이 직접 이끄는 복잡계 자기조립 연구그룹 은 노준호 박사, 황일하 박사, 박경민 박사, 백강균 박사 등 무기화학, 초분자화학, 생화학, 고분자화학, 재료화학 분야 전문가들로 구성돼 있다. 이 연구그 그림 1. 자기조립과 복잡성, 그리고 각 세부 연구분야 및 그들의 상관관계 룹은 복잡성과 이머전스(새로운 성질의 발현), 분자 네트워트 시스템, 이머전트(발현) 물질 등 세 개의 세부분야로 나눠 연구를 진행 중이다. 복잡성과 이머전스 분야에서는 평형상태뿐 아니 라 비평형상태에서의 자기조립 과정에 대한 연구를 진행한다. 분자 네트워크 시스템 분야는 각각의 구성 분자들이 가지 는 분자인지, 전달, 촉매작용 등과 같은 성질을 이용해 인공(abiotic) 시스템 등을 디자인, 합성한다. 이머전트(발현) 분야 에서는 궁극적으로 자기조립을 통한 새로운 성질을 보 이는 다양한 나노물질 및 바이오 응용 기술을 개발하고 Kimoon Kim Director 자 한다. Advisory Board 이론 및 계산연구 그룹 은 물질의 물성을 예측하고 계 산 결과를 바탕으로 새로운 구조체를 제시한다. 자기조 Self-assembly and Complexity 립 복합체 형성과정 에 대한 이론 연구와 더불어 복잡한 Kimoon Kim(Director) Junior Biological Group Applications Leader 자기조립체들을 연구하기 위한 새로운 모델링 기법 개발 연구도 진행 중이다. Complexity Molecular Emergent Eunsung Won Jong 발현물질의 바이오 응용 그룹 은 다양한 발현물질을 and Network Materials Lee Kim Emergence Systems (Group Leader) 바이오 분야에 응용하는 연구를 진행해 시너지 효과를 극대화하고 있다. 특히 자기조립과 발현물질을 이용한 약물 전달 시스템 및 질병 진단기술 관련 연구를 진행하 Analysis Lab Administrative Office 고 있다. 단분자, 고분자, 핵산, 나노 입자 등의 분자들을 구조화한 지능적인 시스템을 개발하고 있다. 각 연구 그 그림 2. 복잡계자기조립 연구단 조직 구성도 룹별 최근 연구 동향은 아래와 같다. Theory and Computation Young Min Rhee (Group Leader) 복잡성과 발현 복잡계 자기조립 연구그룹 은 자기조립에 기초한 복잡성과 발현에 연구를 수행하고 있다. 이를 통해 새로운 복합 적응 시 44 화학세계

Self-assembly and Complexity 연구단은 복잡계 자기조립 연구그룹(그룹장 김기문 교수), 이론 및 계 Moleccular Emergent Network Materials 산연구 그룹(그룹장 이영민 교수), 발현물질의 바이오응용그룹(그룹장 Systems 김원종 교수) [그림 1] 등 크게 3개의 세부 연구그룹으로 나누어져 있다.

3 POSTECH 기초과학연구원 복잡계자기조립연구단 스템과 발현 물질을 개발하기 위한 연구도 진행 중이다. 이 와 관련해 연구그룹은 비평형 상태의 비가역적인 자기조립 시스템의 형성 및 특성을 심도있게 탐구했다. 여러 가지 판 상형 단분자들을 이용해 다양한 고분자 나노물질을 공유결 합을 통해 합성했으며 이를 통해 비평형 상태에서의 자기조 립 시스템을 연구했다. 그 결과 공유결합을 이용하면 무질 서한 고분자 덩어리가 생길 것이라는 기존의 상식과 달리 초기 반응 조건의 미세한 조절을 통한 공유결합을 이용해서 도 의미 있는 다양한 나노구조체를 합성할 수 있음을 보여 주었다(J. Am. Chem. Soc. 2013; Nature Chemistry 그림 3. 자기조립을 통한 다양한 나노 구조체 형성 연구 2014). 후속 연구로 다양한 환경 아래에서 고분자 나노물질의 형성에 대한 연구, 실험적인 방법을 통한 자기조립 현상 메커니즘 도 제시했다(Angew. Chem. Int. Ed. 2015). 이러한 연구결과는 최근 총설로 정리되어 발표됐다(그림 3, Account of Chemical Research, 2015). 이러한 동역학적인 자기조립 시스템에 대한 이해는 새로운 특성을 가지는 물질 합성을 위한 토대가 될 것으로 평가받고 있다. 분자네트워크 시스템 네트워크 시스템을 구현하기 위해 가장 중요한 과정은 자가분류(selfsorting)이다. 자가분류란 복잡한 혼합물 속에서 자기와 같은 것과 같지 않은 것을 효과적으로 분류해내는 것으로 자연계를 구성하는 핵심적인 과 정이다. 예를 들어 생명계는 외부 환경을 인식하고 정보를 전달하는 과정 에서 자가분류 단백질들을 이용한다. 이러한 자가분류 현상을 통해 세포 는 다양한 종류의 신호들에 대해 미세한 수준으로 반응을 조절할 수 있게 된다. 그림 4. 아미노 당류의 알파아노머를 선택적으로 담지한 복잡계 자기조립 연구그룹 의 초분자 물질을 이용한 연구들은 인공 자 쿠커비투[7]릴 가분류 시스템을 구현하는데 있어 효과적인 선행지식이 되고 있으며 최근 에는 쿠커비투릴(CB)를 이용한 당류의 선택적 인지(그림 4, Angew. Chem. Int. Ed. 2014) 와 같은 새로운 현상이 발 견되기도 했다. 또한 연구그룹은 쿠커비투릴(CB)를 이용한 인공 자가분류 시스템 연구에서 주인-손님 분자 복합체 형 성에 엔트로피가 중요한 기여를 한다는 것을 확인했다. 이와 더불어 연구그룹은 시스템을 이루는 하위구조인 네트 워크 기반 센서, 스마트 캡시드 연구를 진행했다. 그 결과 스 마트 캡시드의 한 예로 외부의 나노입자를 도입한 고분자 나 그림 5. 균일한 크기의 금속 나노입자가 표면에 균질하게 도입된 노캡슐을 이용해 기존의 방법으로는 구현하기 힘들었던 수용 고분자 나노캡슐의 합성과 촉매로서의 응용 화학세계 45

후속 연구로 다양한 환경 아래에서 고분자 나노물질의 형성에 대한 연구, 실험적인 방법을 통한 자기조립 현상 메커니즘 도 제시했다(Angew. Chem. Int. Ed. 2015). 이러한 연구결과는 최근 총설로 정리되어 발표됐다(그림 3, Account of Chemical Research, 2015).

4 우수선도연구기관 액 상에서 촉매 반응을 확인했다(그림 5, Angew. Chem. Int. Ed. 2014). 발현 물질 발현 물질(emergent material)은 마이크로 또는 메조 크기의 구조체로서, 개별적으 로는 보이지 않았던 것으로 서로 모일 경우 새로운 성질을 보이는 물질로 복잡 적응 성 질(complex adaptive property)을 지니고 있다. 이러한 물질은 기존의 물질과는 달 리 특이한 촉매반응을 보이거나, 새로운 자기적 성질을 보이거나, 서로 다른 성질의 결 합으로 인하여 기존과는 전혀 다른 성질을 보인다. 이러한 물질들은 보다 큰 발현 물질 이나 시스템의 구성 요소로서 사용되기도 한다. 복잡계 자기조립 연구그룹 은 자기조 립에 대한 기초연구를 바탕으로 발현 성질을 보이는 다양한 나노물질을 만드는 연구를 진행했다. 연구그룹은 다기능성 모듈식 다공성 물질, 비가역적 공유결합을 이용 하여 자기조립된 나노물질, 주인-손님분자 상호작용 기반의 기능성 물질 등에 대한 연구를 진행하고 있다. 먼저 다공성 물질 연구는 일반적으로 마이크로 다공성 (2 nm 이하)을 가지는 것 그림 6. 비가역적인 공유결합을 통해 자 으로 알려진 MOF (Metal-Organic Framework)라는 물질에 마이크로 다공성 뿐 기조립하여 속이 빈 마이크로링 만 아니라 메조 다공성 (2-50 nm)을 가지는 MOF의 제조 및 그 응용 연구하는 것이 을 합성하는 방법을 개제한 Nature Chem. 2014년 2월호 표지 다. 비가역적 공유결합을 이용한 나노 물질 개발 은 복잡성과 발현 부분-비평형 조 건에서의 자기조립-과 매우 밀접한 연관성을 가지고 있다. 이에 연구그룹은 단분자 두께의 이차원 고분자(J. Am. Chem. Soc. 2013)나 마이크로 링(그림 6, Nature Chemistry 2014)의 합성에 성공하는 등 매우 의미 있는 결과들을 발표했다. 초분자 고분자, 수화젤 합성 및 이를 이용한 응용 연구 에서는 수용액 상에서 CB 와 손님분자의 발현 성질인 강력한 상호작용을 기반으로, 환경 친화적이며 응용하기에 충분한 기계적 물성을 지니는 동시에 세포독성이 없는 초분자 고분자 혹은 수화젤을 만들었다. 그리 고 이를 이용한 세포기능 조절용 재료로의 응용 가능성도 확인 했다. 이를 토대로 CB를 이용한 아밀로이드 섬유화 억제 (Angew. Chem. Int. Ed. 2014) 등과 같은 중요한 연구 결과 를 발표했다. 최근에는 일산화질소를 몸속에서 효과적으로 전 그림 7. N-헤테로고리 카벤에 일산화질소 기체를 불어넣어 N-헤 달할 수 있는 새로운 전달물질을 개발했다(그림 7, J. Am. 테로고리 카벤 일산화질소 라디칼을 합성 Chem. Soc. 2015). 이론 및 계산 연구 이론 및 계산 연구그룹 은 자기조립 복합체 형성과정에 대한 이론 연구와 더불어 복잡한 자기조립체들을 연구하기 위한 새로운 모델링 기법 개발에 대한 연구를 진행하고 있다[그림 8]. 특히 복잡계의 형성 과정에 대한 고찰은 물론 복잡계가 보 이는 다양한 현상들을 이끌어내는 동력학적인 요소들에 대한 연구도 진행하고 있다. 46 화학세계

이러한 물질은 기존의 물질과는 달 리 특이한 촉매반응을 보이거나, 새로운 자기적 성질을 보이거나, 서로 다른 성질의 결 합으로 인하여 기존과는 전혀 다른 성질을 보인다. 이러한 물질들은 보다 큰 발현 물질 이나 시스템의 구성 요소로서 사용되기도 한다.

5 POSTECH 기초과학연구원 복잡계자기조립연구단 기존의 양자 현상 연구에서는 기술적으로 접 근이 어려운 양자 현상의 특수성과 복잡계에서 Fundamental 유래한 계산의 부담 때문에 많은 제약이 있었다. Understanding 연구그룹은 이러한 제약 사항들을 하나씩 극복 함으로써 새로운 연구 분야를 구축해 나가는 것 quantum Action kinetics Self-assembly system Formation transfer dynamics 을 목표로 삼고 있다. 구체적으로는, 거대 분자 계에서 들뜬 에너지가 옮겨 다니는 양상을 기술 할 수 있는 반고전동력학 기법을 발전시켰으며 Theoretical Tool (J. Chem. Phys. 2014), 색소분자와 같이 분자 Development 복합체에서 들떠있는 분자들의 내부 움직임이나 next generation modeling 이들이 외부 환경과 상호작용하는 양상을 결정 하는 포텐셜 면을 건설하는 방법들을 개발했다 그림 8. 자기조립 분자체 이론 연구 그룹(이영민 교수)의 연구 영역 (J. Chem. Phys. 2014; J. Chem. Theory Comput. 2014). 또한, 이를 통하여 종전에는 가능하지 않던 복잡한 화학계에 대한 빠른 계산을 수행할 수 있음을 보였다. 발현물질의 바이오 응용 그룹 발현물질의 바이오 응용 그룹 은 발현물질의 다양한 생 의학적 응용에 대한 연구를 진행 중이다. 특히 자기조립과 발현물질을 이용한 약물 전달 시스템과 질병 진단기술에 관해 연구를 수행하고 있다. 그리고 단분자, 고분자, 핵산, 나노 입자 등 다양한 물리-화학적 성질의 분자들을 정밀하 게 제어, 이를 구조화한 지능적인 시스템도 연구 중이다. 최근에는 다양한 무기 물질, 고분자 혹은 DNA 구조체를 이용한 자극 감응성 약물과 유전자 방출 시스템에 관한 연 구, DNA를 이용하여 생체 물질에 감응하는 센서 개발 연 구도 추진하고 있다. 그동안 연구그룹은 산화그래핀, 다공성 실리카, 금 나노 입자 등의 무기 물질과 폴리에틸렌이민이나 폴리에틸렌글 라이콜 등의 생체 친화적 고분자, DNA 혼성화을 이용한 DNA 구조체, 주인-손님분자 상호작용을 이용한 자기조립 나노입자 등을 이용해 약물과 유전자를 효과적으로 전달하 고 그의 거동을 살펴보는 연구를 진행했다. 또한 생체 내에 서 세포성장 및 사멸, 면역 등의 중요한 작용을 하는 일산 화질소를 효율적으로 전달할 수 있는 전달체 기술을 개발 그림 9. 주인-손님 상호작용을 이용한 새로운 항암제 전달시스템의 형성 및 작용 경로 했다(Angew. Chem. Int. Ed. 2013). 특히 싸이클로덱스 트린과 파클리탁셀 간의 주인-손님 상호작용의 자극 감응 화학세계 47

구체적으로는, 거대 분자 계에서 들뜬 에너지가 옮겨 다니는 양상을 기술 할 수 있는 반고전동력학 기법을 발전시켰으며 Theoretical Tool (J. Chem. Phys.

6 우수선도연구기관 성 약물 및 유전자 방출 시스템 합성(그림 9, Nature Communications 2014), DNA 나노 구조체를 이용한 자극 감응성 약물 및 유전자 방출 시스템 개발(ACS Nano 2014) 등 연구 결과를 세계적인 저널에 발표했다. 자기조립의 한계에 도전하는 연구는 생명의 화학적 근원 과 같은 근본적인 문제를 이해하는데 도움을 줄 수 있을 뿐 아니라 새로운 나노 기술과 바이오 기술 창출에 크게 기여할 것입니다. 이러한 연구를 통해 복잡계자기조립 연구단은 궁극적으로 기초과학 분야의 세계적인 연구센터로 자리매김하고자 합니다 >> POSTEC 기초과학연구원 복잡계자기조립 연구단은 > 김기문 교수 포스텍 기초과학연구원 복잡계자기조립연구단을 이끌고 있는 김기문 단장은 자기조립 분야에서 세계적으로 손꼽히는 과학자 중 한 명이다. 김 단장은 지난 10여년 간 어떻게 하면 분자를 자기조립해 원하는 구조, 성질 및 기능을 가지는 초분자체 또는 물질을 만 들 수 있을까 라는 관점에서 연구를 진행해 새로운 인공수용체인 쿠커비투릴(cucurbituril, CB)의 초분자화학 정립, 나노 구조체 및 나노 다공성 결정물질 개발 통한 자기조 립 및 초분자화학의 새로운 패러다임을 창출했다. 이러한 연구업적을 인정받아 지난 2012년 8월 복잡계자기조립 연구단의 단장으로 선정됐다. 그는 서울대 화학과를 졸업한 후 카이스트를 거쳐 1981년 미국으로 건너가 스탠퍼드대 에서 박사과정을 밟았다. 1986년 박사 학위 취득과 함께 미 노스웨스턴대에서 본격적인 연구 활동을 시작했고, 1988년 포항공대 화학과에 부임해 자기조립에 관한 연구에 매진 하고 있다. 포항공대 지능초분자 연구단 단장( ), 포항공대 첨단재료과학부 (WCU project) 주임교수( ), 홍덕석좌교수( ), 대한화학회 부회장 (2010) 등을 역임했다. 2000년 한국과학기술한림원 정회원 선임, 2002년 한국과학상, 2002년 제3세계 과학아카데미상, 2006년 호암상, 2008년 대한민국 최고과학기술인상, 2011년 E. Muetterties Memorial Lectureship Award(University of California, Berkeley), 2012년 Izatt-Christensen Award 등을 수상했다. 김 단장은 지난 2011년 톰슨앤로이터 선정 세계 100대 화학자에 선정되기도 했다. 연구단은 자기조립과 복잡계 연구그룹, 발현물질의 바이오 응용 그룹, 이론 및 계 산연구 그룹 등 세 개의 연구그룹을 유기적으로 구성했으며 현재 교수 4명, 연구위원 및 박사후연구원 20명, 학생 40명 등이 참여하고 있다. 48 화학세계

이러한 연구를 통해 복잡계자기조립 연구단은 궁극적으로 기초과학 분야의 세계적인 연구센터로 자리매김하고자 합니다 >> POSTEC 기초과학연구원 복잡계자기조립 연구단은 > 김기문 교수 포스텍 기초과학연구원 복잡계자기조립연구단을 이끌고 있는 김기문 단장은 자기조립 분야에서 세계적으로 손꼽히는 과학자 중 한 명이다.

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