[과학을 읽다]겉과 속 다른 다공성 물질 개발됐다

에너지 연구·약물전달 등에 응용 가능

▲다양한 형태의 구조체는 물질의 형태를 다양한 모습으로 변형시켜 얻어진 결과물이다. I은 고체구조, II는 코어-쉘, III은 싱글-쉘 중공구조, IV은 마트료시카(matryoshka), V은 요크-쉘 구조, VI은 더블-쉘 중공구조이다.[사진제공=유니스트]

[아시아경제 정종오 기자] 겉과 속이 다른 새로운 다공성 물질이 개발됐습니다. 국내 연구팀이 구멍이 여러 군데 뚫린 물질의 속을 원하는 대로 만드는 방법을 내놓았습니다. 겉과 속을 다르게 설계할 수 있어 촉매나 기체 저장, 약물전달 등에 사용할 수 있습니다.

기공은 크기에 따라 세 종류로 분류됩니다. 기공의 크기가 2㎚(nm는 10억분의1m)보다 작은 기공은 미세 기공, 2~50㎚ 크기는 메조 기공, 50㎚ 보다 큰 기공은 거대 기공이라고 합니다. 계층적 다공성 물질이란 한 물질이 두 종류 이상의 기공을 가지는 경우를 말합니다.

기존에도 금속 계열의 나노물질의 겉과 속을 정교하게 설계하는 기술은 있었습니다. 다공성 물질의 내부를 조절하는 기술은 이번에 처음입니다. 다공성 물질의 구멍 크기와 모양을 조절하는 수준을 넘어 내부 구조를 정교하게 합성할 수 있는 새로운 장이 열렸습니다.

다공성 물질은 표면적이 넓어 화학반응이 활발하게 일어난다는 점 때문에 촉매나 기체 포집물질 등으로 활용도가 높습니다. 지금까지는 '제올라이트'처럼 자연에서 얻을 수 있는 다공성 물질이 주로 이용됐습니다. 이 물질은 구멍 크기와 모양을 조절할 수 없다는 한계가 있었습니다.

이 같은 단점을 극복하기 위해 전 세계적으로 '금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)'와 '금속-유기 다면체(Metal-Organic Polyhedral, MOPs)'가 연구되고 있습니다. MOFs, MOPs 모두 구멍이 뚫린 물질인데 MOPs는 용매에 잘 녹고 MOFs는 쉽게 녹지 않는 성질이 있습니다.

연구팀은 우선 MOPs를 합성한 뒤 유기물을 더해 아몬드 초콜릿처럼 겉과 속이 다른 물질로 꽉찬 '코어-쉘 구조'를 만들었습니다. 이 상태에서 용매를 써서 MOPs를 녹여내면 가운데가 빈 '싱글-쉘 중공구조'을 얻을 수 있었습니다. 싱글-쉘 구조에서 MOPs를 다시 성장시키면 러시아 인형을 닮은 '마트료시카(matryoshka)' 구조가 됩니다. 이 상태에 다시 유기물을 첨가한 다음 용매로 녹여내면 가운데가 비고 껍질이 두 개인 '더블-쉘 중공' 구조까지 만들 수 있습니다.

이번 연구는 최원영 UNIST 자연과학부 교수팀(제1저자: 이지영 UNIST 자연과학부 석·박사통합과정 연구원)이 수행했습니다. 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 1월4일자(논문명: Evolution of Form in Metal-Organic Frameworks)에 실렸습니다.

최원영 교수는 "하나의 결정에 서로 성질이 다른 물질을 공존시키는 게 큰 특징"이라며 "구멍의 크기와 모양도 조절할 수 있어 분자의 출입을 세밀하게 통제할 수 있는 시스템으로 활용할 수 있다"고 말했습니다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr