영남취재본부 김철우기자
신소재 설계 전략으로 26개 지르코늄 기반 금속-유기 골격체 구조(Metal-organic framework)가 밝혀졌다.
환경 문제 해결을 위한 고성능 재료 개발을 크게 앞당길 것으로 기대된다.
UNIST(총장 박종래) 화학과 최원영 교수팀이 차세대 탄소중립 소재로 주목받는 금속-유기 골격체를 더욱 효율적으로 발굴할 수 있는 설계 전략을 개발했다. 기존 방식으로는 찾기 어려웠던 신소재를 빠르고 쉽게 발견할 수 있는 길을 열었다.
아래 왼쪽부터 반시계방향으로 조혜진 연구원(1저자), 김지연 연구원(1저자), 최원영 교수, 김지한 교수, 남동식 연구원(1저자).
연구팀이 제안한 ‘상-하향 접근법(Up-down approach)’은 기존 두 가지 접근법을 결합해 새로운 소재 구조를 효율적으로 발굴하는 방식이다. 상향식은 작은 단위부터 쌓아 올리며 설계하는 방법이고, 하향식은 목표 구조를 먼저 설정하고 그에 맞는 재료를 찾아간다.
연구팀은 ‘금속 클러스터’라 불리는 작은 금속 조각을 이용해 설계 가능한 구조를 먼저 탐색했다. 이어 이를 연결하는 유기 연결제인 ‘리간드’를 찾아 새로운 소재 구조를 완성했다. 이로써 기존 신소재 개발 방식 한계를 극복하고, 더 정교하게 구조 설계가 가능해졌다.
금속-유기 골격체는 금속과 유기물이 결합된 다공성 구조로, 이산화탄소 분리와 저장, 촉매 반응 등 다양한 분야에서 우수한 성능을 보여왔다. 그러나 기존에는 사전 정의된 구성 요소 혹은 구조에 의해 제한돼, 합성 가능한 구조들을 폭넓게 탐색하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 지르코늄을 사용해 26개의 새로운 구조를 발견했다. 그중 두 가지는 실제로 합성하는 데 성공했다. 리간드 구조를 더 정밀하게 설계할 수 있는 ‘리본 표현법’도 도입해 합성 정확성을 한층 높였다.
새로운 금속-유기 골격체 발굴을 위한 상-하향 접근법과 기존 상향식, 하향식 접근법의 비교.
제1저자 김지연 연구원은 “이 접근법은 신소재를 신속하게 탐구하고 개발할 수 있는 강력한 도구”라고 밝혔으며, 공동 1저자 남동식 연구원은 “촉매, 가스 저장, 환경 정화 등 다양한 분야에서 혁신적 소재를 빠르게 발견하는 계기를 마련했다”고 전했다.
최원영 교수는 “금속-유기 골격체의 화학적 다양성이 크게 확장돼 활용 범위가 넓어질 것”이라며 “기능성 소재 연구에 새로운 전환점을 제시하게 될 것”이라고 기대감을 나타냈다.
연구는 한국연구재단(NRF)과 UNIST 지원으로 진행됐으며, KAIST 김지한 교수팀이 공동 참여했다. 연구 결과는 네이처 자매지인 네이처 신테시스(Nature Synthesis)에 9월 5일 게재됐다.