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KAIST-UNIST, 컴퓨터 설계 기반 다공성 복합재료 합성 성공촉매, 센서, 약물 전달 등 활용 기대
컴퓨터 설계 기반 단결정 다공성 복합재료 합성 개요도./자료제공=KAIST

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 김지한 교수와 울산과학기술원(UNIST) 화학과 문회리 교수 공동연구팀은 컴퓨터 설계를 기반으로 한 이론적 디자인을 통해 새로운 '다공성 복합재료'를 합성하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

KAIST 권오민 박사과정과 UNIST 김진영 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 8월 9일 자 온라인판에 게재됐다.

이번 연구에 사용한 금속 유기 구조체(MOF)는 다양한 금속 이온 집합체와 유기 리간드로 구성된 화합물의 일종으로 나노 수준의 기공을 갖는 결정성 물질이다.

각 구성요소의 다양성 때문에 지난 20년간 8만여 개 이상의 구조들이 실험으로 합성됐다. 표면적이 매우 넓고 기공의 물리-화학적 특성을 세밀하게 조절할 수 있어 기존의 제올라이트를 대체할 수 있는 차세대 다공성 물질이기도 하다.

최근 금속 유기 구조체를 다른 소재와 혼합해 기능을 다양화하거나, 한가지 물질의 단점을 다른 물질의 장점으로 보완해 성능을 최적화하는 연구가 진행되고 있다.

하지만 기존의 합성된 금속 유기 구조체 복합재료들은 두 물질의 경계면에서 서로 어떻게 결합하는지에 대한 정확한 정보가 없고 그 형태가 무질서해 어떻게 만들어지는지에 대한 이해가 부족했다.

8만여 개의 금속 유기 구조체 중 표면에서 서로 결합할 수 있는 조합을 일일이 눈으로 찾아내는 것은 매우 시간이 오래 걸리기 때문에 화학자의 직관만으로 새로운 이종 금속 유기 구조체 간 단결정 복합재료를 합성하기 위해서는 수많은 시행착오를 겪어야 했다.

따라서 8만여 개 이상의 금속 유기 구조체를 사용해 복합물질을 형성할 수 있는 경우의 수가 상당히 많음에도 불구하고 지금까지 합성된 복합재료의 수는 극히 일부로 제한됐다.

이같은 문제해결을 위해 공동연구팀은 미시적인 분자구조 정보를 활용해 먼저 합성 가능성이 큰 구조들을 선별한 뒤 이를 실험적으로 합성, 실제 새로운 복합물질을 개발하고 합성하는 시간을 획기적으로 단축했다.

김지한 교수가 이끈 시뮬레이션팀은 직접 개발한 컴퓨터 알고리즘을 활용해 기존에 발표된 8만여 개의 데이터로부터 특정 구조체의 결정면과 상호 연결될 수 있는 결정면을 가진 다양한 금속 유기 구조체 쌍들을 얻는 데 성공했다.

또 양자역학 시뮬레이션을 통해 두 금속 유기 구조체가 연결된 경계면이 가질 수 있는 안정적인 구조를 예측해 낼수 있었다.

문회리 교수 연구팀은 이 시뮬레이션 결과를 바탕으로 6종류의 새로운 금속 유기 구조체 복합재료를 성공적으로 합성해 시뮬레이션으로 예측된 내용이 실험적으로 합성될 수 있음을 증명했다.

아울러 금속 유기 구조체 결정면 위에 다른 구조체가 하나의 구조로 자라나는 원리를 규명했고 두 물질의 기공이 서로 연결돼 내부까지 분자가 자유롭게 이동할 수 있는 것도 확인했다.

김지한 교수는 "삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 세계 최초로 나노 다공성 복합물질을 이론적으로 디자인해 합성까지 성공한 첫 사례라는 사실에 의미가 있다"고 말했다.

허진만 기자  snews@s-news.kr

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#KAIST#UNIST#다공성#약물#촉매#센서#합성

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