[이뉴스코리아 이정민 기자] KAIST(총장 신성철) 생명화학공학과 김지한 교수 UNIST(총장 정무영) 화학과 문회리 교수 공동연구팀이 컴퓨터 설계를 기반으로 한 이론적 디자인을 통해 새로운 다공성 복합재료를 합성하는데 성공했다.
이러한 복합물질은 각각의 특성을 동시에 가지면서 융합된 새로운 성질을 나타낸다. 때문에 촉매, 기체 저장 및 분리, 센서, 약물 전달 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
KAIST 권오민 박사과정과 UNIST 김진영 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’ 8월 9일자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Computer-aided discovery of connected metal-organic frameworks)
이번 연구에 사용한 금속 유기 구조체는 다양한 금속 이온 집합체와 유기 리간드로 구성된 화합물의 일종으로 나노 수준의 기공을 갖는 결정성 물질이다.
금속 유기 구조체는 각 구성요소의 다양성 덕분에 지난 20년간 8만여 개 이상의 구조들이 실험으로 합성됐다. 또, 금속 유기 구조체는 표면적이 매우 넓고 기공의 물리-화학적 특성을 세밀하게 조절할 수 있어 기존의 제올라이트를 대체할 수 있는 차세대 다공성 물질이기도 하다.
최근 금속 유기 구조체 연구는 다른 소재와 혼합해 기능을 다양화하거나, 한가지 물질의 단점을 다른 물질의 장점으로 보완해 성능을 최적화하는 방향으로 진행하고 있다.
그러나 기존의 합성된 금속 유기 구조체 복합재료들은 두 물질의 경계면에서 서로 어떻게 결합하는지에 대한 정확한 정보가 없고 그 형태가 무질서해 어떻게 만들어지는지에 대한 이해가 부족했다.
금속 유기 구조체는 약 8만여 개나 된다. 이 중에 표면에서 서로 결합할 수 있는 조합을 일일이 눈으로 찾아내려면 어마어마한 시간을 필요로 한다. 그렇다고 해서 화학자의 직관만으로 복합재료를 합성하면 수많은 시행착오를 겪는 어려움이 있었다.
이런 문제들을 해결하기 위해 공동연구팀은 미시적인 분자구조 정보를 활용해 먼저 합성 가능성이 큰 구조들을 선별한 뒤, 이를 실험적으로 합성함으로써 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 이와 연결할 수 있는 결정면을 가진 금속 유기 구조체 조합을 얻는 데 성공했다.
또, 양자역학 시뮬레이션을 통해 두 금속 유기 구조체가 연결된 경계면이 가질 수 있는 안정적인 구조를 예측해냈다.
문회리 교수의 연구팀은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 6종류의 새로운 금속 유기 구조체 복합재료를 성공적으로 합성해 시뮬레이션으로 예측된 내용이 실제로 합성될 수 있음을 증명했다.
또, 금속 유기 구조체 결정면 위에 다른 구조체가 하나의 구조로 자라는 원리를 규명해, 두 물질의 기공이 서로 연결돼 내부까지 분자가 자유로운 이동이 가능함을 확인했다.
이번 연구에서 성공한 서로 다른 두 금속 유기 구조체 간 경계면을 분자 수준에서 깨끗하게 하나의 구조로 연결하는 다공성 복합재료는 지금껏 없던 새로운 개념의 물질이다.
문회리 교수는 “실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 협력 연구를 통해 그간 합성이 어려웠던 복합재료를 합성할 수 있음을 보여줬다. 기존 신약개발에서 활용되던 연구 방식이 다공성 재료에까지 확대된 성공적 사례다.”라고 말했다.
김지한 교수는 “세계 최초로 나노 다공성 복합물질을 이론적으로 디자인해 합성까지 성공한 첫 사례라는 사실에 큰 의미가 있다.”라며 “새로운 복합재료 개발을 위해 필요한 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있고 적용 분야를 확장할 수 있게 됐다.”라고 말했다.
한편, 이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.