Self-assembly of Nanostructured Materials through Irreversible Covalent Bond Formation

K. Baek, I. Hwang, I. Roy, D. Shetty, and K. Kim

Over the past decades, numerous efforts have been devoted to synthesizing nanostructured materials with specific morphology because their size and shape play an important role in determining their functions. Self-assembly using weak and reversible interactions or bonds has provided synthetic routes toward various nanostructures because it allows a “self-checking” and “self-error-correcting” process under thermodynamic control. By contrast, the use of irreversible covalent bonds, despite the potential to generate more robust structures, has been disfavored in the synthesis of well-defined nanomaterials largely due to the lack of such self-error-correcting mechanisms. This Account describes our recent discoveries and progress in self-assembly of nanostructured materials through strong, practically irreversible covalent bond formation and their applications in various areas including drug delivery, anticancer therapy, and heterogeneous catalysis. Although the lack of self-error-correcting mechanisms results in defect sites in these nanostructures, the high efficiency and relative simplicity of our novel approach demonstrates the potential power of using irreversible covalent bonds to generate a diverse range of shape-persistent and robust nanostructures that is likely to enrich the repertoire of self-assembled nanomaterials.

비공유 결합이나 가역적인 공유결합을 통한 자기조립현상은 분자들의 조립과정에서 생성될 수 있는 결점을 자가 진단 및 수정을 통해서 없애거나 최소화할 수 있고, 외부자극에 민감하게 감응하는 특징이 있어서 유용한 나노 및 마이크로 물질을 만드는 방법으로 널리 연구되어 왔다. 반면에 비가역적인 공유결합은 유기합성분야에 주로 활용되었지만 한번 결점을 형성하면 자가 진단 및 수정이 불가능하여 나노 및 마이크로 물질을 만드는 방법으로 활용되지 못했다. 본 연구단은 최근 일련의 연구를 통해서 비가역적인 공유결합을 사용하더라도 분자들 간의 결합이 평면방향으로만 일어날 수 있게 고안된 분자를 사용하면, 아무런 주형의 도움 없이도 용액상에서 이들이 이차원의 중간체를 거쳐서 속이 빈 고분자 나노캡슐이나 단분자 두께의 이차원 고분자 필름, 속이 빈 고분자 마이크로링 등을 형성하는 것을 발견하였고, 이론연구를 통해서 이러한 과정이 열역학적으로 자발적인 현상임을 밝혀 세계적 권위를 자랑하는 네이쳐 캐미스트리나 미국화학회지, 독일응용화학회지 등 다수의 국제학술지에 발표하였으며, 이를 종합하여 미국화학회에서 발간하는 Accounts of Chemical Research의 2015년 8월호 표지논문으로 개재하였다.