근년 화학 합성기술의 진보에 의해 종래의 합금계 준결정에 더해 고분자나 콜로이도 등의 유기분자(이른바 소프트 매터)를 이용한 준결정의 제작이 가능하게 되었습니다.

한편, 최근에는 소프트 매터 이외에도 산화철 – 금나노입자 응집체가 새로운 타입의 결정체를 형성한다는 것이 보고되어 있습니다. 이들 새로운 준결정은 합금계 준결정에 비해 자릿수가 다르게 큰 메소 스케일（２０～５００Å）에 있어서 특징적인 구조 질서를 보이며, 결정학적으로 허용되지 않는 12회 대칭성을 가집니다(12회 대칭 준결정). 이 구조 특성은 완전 포토닉 핸드갭의 발현에 유리할 것으로 생각되며, 장래적으로 광학적 응용으로 연결될 가능성이 기대되고 있습니다. 그러나 합금계 준결정과는 대조적으로 상기한 물질은 현재 상태로는 큰 구조적 불안을 포함하기 때문에 실제 응용에는 보다 정밀한 구조 제어를 실현하는 것이 불가결 합니다.

실리카메소 다공체는 계면 활성제 미셀의 자기조직화에 의해 형성한 구조체를 템플레이트로서 제작되어, 화학적 수법에 의한 계통적인 구조 제어가 가능한 물질계로서 알려져 있습니다. 이번 스톡홀름 대학과 동북대학을 중심으로 한 연구 그룹은 미셀간 상호작용을 화학적으로 조정하는 것으로 12회 대칭성을 보이는 새로운 타입의 실리카메소 다공체를 제작하는 것에 성공하였습니다. 이 물질은 정12각 기둥의 외형을 가지는 수 마이크론의 입자이며, 이 단면의 고분해능 전자 현미경상을 보면, 정방형과 정삼각형의 구조 단위에 의해 타일이 채워진 듯한 형태가 관찰됩니다. 이 타일 구조를 상세히 분석한 결과, 단면의 중앙에 12회 대칭 준결정이 형성되어, 12장의 결정 도메인이 그것을 방사형으로 둘러싸고 있는 것이 확인되었습니다. 중앙 부분의 구조는 기존의 메소 스케일 준결정과 비교하여 높은 준결정성을 보이고 있습니다.

얻어진 준결정은 미셀이 취할 수 있는 복수의 상이한 국소적 배치가 비형위 구조 성장 과정 안에서 서로 경합함으로써 형성된 것이라고 이해하는 것이 가능합니다. 이것을 입증하기 위하여 본 연구 그룹은 미셀간 상호 작용을 고려한 간단한 이론 모델을 도입하여, 구조 형성 과정의 몬테카를로 시뮬레이션을 실시하였습니다. 그 결과, 실험적으로 관찰된것과 같은 모양의 구조를 계산기상으로 재현하는 것에 성공하여, 또한 그것을 위하여 필요한 물리적 조건이 실제의 물질의 합성 조건과 잘 대응하고 있다는 것을 밝혀낼 수 있었습니다.

이번에 제작된 물질은 구조 불안정이 억제된 메소 스케일 준결정으로서 뿐만아니라, 금속 원소를 전혀 포함하지 않는 새로운 하드 매터(무기물질계) 준결정으로서도 주요한 의미를 가지고 있습니다. 이번 성과를 계기로 하여 구조 불안정이 더욱 감소된 이상적인 준결정의 제작이 진행되어 응용으로의 길이 열릴 것을 기대하고 있습니다.

이번 성과는 2012년 7월 19일부 Nature에 게재 되었습니다.

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[문의처]

동북대학 다원물질 과학 연구소

조교 후지타 노부히사(藤田伸尚)

전화：022-217-5723

메일：nobuhisa*tagen.tohoku.ac.jp （*를 ＠로 바꾸어 주십시오）

교수 짜이 안팡(蔡 安邦)

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