Functional Two-dimensional Polydiacetylene Nanosheets

Abstract

Inspired by the fascinating atomically thin structure and amazing properties of graphene, significant advances have been made to the fabrication of graphene-like synthetic two-dimensional (2D) nanomaterials. Among the synthetic 2D nanomaterials, polymeric 2D nanosheets organized from self-assembled molecular monolayers and multilayers have emerged as contemporary materials with exceptional physical and functional properties that complement graphene. 2D polymer nanosheets reflect the high degree of order and long-range arrangement of elementary molecular units on the nanoscale. The architecture of 2D polymer nanosheets can be defined as a self-assembled hierarchical network of monomers with periodic bonding in two orthogonal directions. Although numerous 2D polymer nanosheets have been reported, 2D nanosheets with tubular channels have been unexplored. Herein, we describe a new strategy for the fabrication of stimulus-responsive conjugated polymer 2D nanosheets with hollow cavities. Amphiphilic macrocyclic diacetylenes self-assembled in an aqueous solution in a columnar manner to afford bilayered 2D nanosheets with intrinsically tubular nanochannels. UV-induced polymerization resulted in the generation of blue-colored tubular conjugated polydiacetylene 2D nanosheets. Immobilization of gold nanoparticles, fluorescence labeling with FRET phenomenon and colorimetric DNA sensing were demonstrated with these new 2D nanosheets. In addition, the free NH2 containing polymerized 2D nanosheet from MCDA-EDEA was studied for conductivity behavior and also grafted on graphene oxide (GO). | 분자 수준의 얇은 두께와 뛰어난 특성을 가진 그래핀으로부터 영감을 받아, 그래핀의 형태와 유사한 이차원 구조의 나노물질을 합성하는 연구가 계속해서 진행되며 발전을 이뤄왔습니다. 특히 그 중에서도 분자의 단층 및 다층 구조의 자가조립을 통해 제작하는 이차원 고분자 나노시트는 독특한 물리적, 기능적 특성을 가져 그래핀 소재를 보완할 수 있는 새로운 현대 재료로 각광받고 있습니다. 이차원 구조의 고분자 나노시트는 나노 수준의 관점에서 분자들이 높은 정렬도를 가진 채로 길게 배열되어 있다는 특징이 있습니다. 이러한 점에서, 2차원 고분자 나노시트는 수직인 두 방향으로 주기적인 결합을 가진 단량체의 자기 조립 계층 구조 네트워크로 정의될 수 있습니다. 현재까지 많은 2차원 고분자 나노시트가 연구 및 보고되었지만 튜브 형태의 채널을 가진 2차원 고분자 나노시트는 아직까지 보고된 바가 없습니다. 저희는 지금까지 보고되지 않았던 튜브 형태의 공극을 가지는 새로운 자극 감응형 공액 고분자 나노시트를 제작하는 방법을 개발하였습니다. 저희는 양친성의 거대 고리 다이아세틸렌 단량체를 이용하여 수용액 상에서 자가조립을 통해 튜브형태의 나노채널을 가진 이중층 구조의 나노시트를 제작할 수 있었습니다. 그 후, 폴리다이아세틸렌의 독특한 특성을 바탕으로 광중합을 진행하여 파란색의 튜브 형태를 띄는 공액 폴리다이아세틸렌 2차원 나노시트를 형성할 수 있었습니다. 이 이차원 구조의 나노시트는 금나노입자를 표면에 흡착할 수 있었고, 형광 물질을 이용하여 나노시트에 라벨링 후 FRET 현상을 관찰할 수 있었으며, 상보 DNA를 검출해내는 변색 시스템을 개발할 수도 있었습니다. 뿐만 아니라, 나노시트 표면의 자유 아민기(NH2)를 바탕으로 전기적 특성에 관한 연구를 진행하기도 했고, 같은 이차원 구조인 산화 그래핀과 복합체를 형성하는 것 역시 가능했습니다. 본 연구는 양친성 거대 고리 다이아세틸렌의 자가조립을 통해 다양한 형태의 나노튜브 채널을 가진 구조체를 제작하고 활용하는 앞으로의 연구에 대한 기반이 될 것으로 생각합니다. 또한, 본 연구를 통해 달성한 거대 고리 다이아세틸렌 단량체의 공자기조립을 통한 성능 유도는 거대 고리 다이아세틸렌 단량체의 활용도를 넓혀줄 것으로 기대합니다.