|
|
|
|
구멍이 송송 뚫린 물질의 속을 원하는 대로 만드는 방법이 개발됐다. 겉과 속을 다르게 설계할 수 있어 촉매나 기체 저장, 약물전달 등에서 유용하게 쓰일 전망이다. UNIST(총장 정무영) 자연과학부의 최원영 교수팀은 나노 다공성 물질의 내부 구조를 손쉽게 만드는 새로운 합성법을 개발해 4일자 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 게재했다. 단계별로 따라하면 정교한 구조도 간단하게 합성할 수 있다. 용도에 맞는 다공성 물질을 설계하고 성능도 높일 수 있을 전망이다. 기존에도 금속 계열의 나노물질의 겉과 속을 정교하게 설계하는 기술은 나왔다. 하지만 다공성 물질의 내부를 조절하는 기술은 이번에 처음 보고됐다. 최원영 교수는 “다공성 물질의 구멍 크기와 모양을 조절하는 수준을 넘어서 내부 구조를 정교하게 합성할 수 있는 새로운 장이 열렸다”고 연구 의미를 밝혔다. 다공성 물질은 표면적이 넓어 화학반응이 활발하게 일어난다는 점 때문에 촉매나 기체 포집물질 등으로 활용도가 높다. 지금까지는 ‘제올라이트’처럼 자연에서 얻을 수 있는 다공성 물질이 주로 이용됐는데, 구멍 크기와 모양을 조절할 수 없다는 한계가 있다. 이에 과학자들은 유기분자와 금속을 이용해 스스로 조립되는 다공성 물질을 개발했다. ‘금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)’와 ‘금속-유기 다면체(Metal-Organic Polyhedral, MOPs)’가 대표적이다. 둘 모두 구멍이 송송 뚫린 물질인데, MOPs는 용매에 잘 녹고 MOFs는 쉽게 녹지 않는 성질이 있다. 이번 연구에 제1저자로 참여한 이지영 UNIST 자연과학부 석‧박사통합과정 연구원은 “MOFs는 금속과 유기분자가 연결돼 3차원 구조를 이룬 형태이고, MOPs는 다공성 입자가 뭉친 점 형태”라며 “둘을 적절히 조합하면 다공성 물질의 안팎을 다양하게 설계할 수 있다”고 설명했다. 최 교수팀은 우선 MOPs를 합성한 뒤 유기물을 더해서 아몬드 초콜릿처럼 겉과 속이 다른 물질로 꽉찬 ‘코어-쉘 구조’를 만들었다. 이 상태에서 용매를 써서 MOPs를 녹여내면 가운데가 빈 ‘싱글-쉘 중공구조’을 얻을 수 있다. 싱글-쉘 구조에서 MOPs를 다시 성장시키면, 러시아 인형을 닮은 ‘마트료시카(matryoshka) 구조’가 된다. 이 상태에 다시 유기물을 첨가한 다음 용매로 녹여내면, 가운데가 비고 껍질이 두 개인 ‘더블-쉘 중공구조’까지 만들 수 있다. 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 말했다. 특히 이 합성법으로는 2㎚ 미만의 미세기공과 2~50㎚의 메조기공, 50㎚보다 큰 거대기공이 모두 존재하는 새로운 다공성 물질을 만들 수 있다. 이런 계층적 다공성 구조는 에너지 연구의 촉매, 흡착, 분리 등에서 중요한 역할을 한다. 이번 연구에 참여한 곽자훈 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수는 “이번 결과는 에너지 연구에 필요한 신물질을 개발하는 데 중요하게 쓰일 것”이라며 “나노입자와 결합된 이종 물질을 합성하는 등 나노과학의 여러 분야에서도 새로운 길을 열 것”이라고 내다봤다. 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다. (끝)
|
|
|
|
[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경지난 수십 년 동안 금속/금속 산화물의 나노소재에 대한 합성방법이 개발, 발전됐다. 그 덕분에 다양한 마이크로/나노 구조체의 크기나 모양을 조절해 원하는 특성을 가지거나 성능이 좋은 물질을 만드는 연구가 활발했다. 특히 ‘코어-쉘’, ‘요크-쉘’, ‘멀티-쉘’을 갖는 중공구조 같은 정교한 형태의 구조체는 기존 물질보다 촉매, 화학 물질 센서, 의학 응용 분야 등에서 유리한 특성을 향상시킬 수 있다. 그래서 다양하고 정교한 형태의 나노 구조체 합성법을 개발하는 분야로 연구 영역이 확장되고 있으며, 응용 연구도 심도 있게 진행됐다. 하지만 다공성 물질로 다양한 형태의 구조체를 합성하는 기술은 여전히 과제로 남아 있었다. 이를 해결하기 위해 새로운 종류의 다공성 고체 물질인 ‘금속-유기 골격체(Metal-organic frameworks, MOFs)’를 이용해 다양한 형태의 구조체를 합성하려는 연구가 활발히 진행됐다. 그러나 금속/금속 산화물 시스템에서 보고된 것과는 달리 합성 전략이 마땅치 않아 MOF를 이용한 정교한 형태의 구조체 합성은 어려웠다. |
2. 연구내용이번 연구에서는 다공성 물질인 MOF를 이용해 다양한 형태(코어-쉘, 싱글-쉘 중공구조, 마트료시카(matryoshka), 더블-쉘 중공구조)를 만드는 새로운 합성법을 개발하고, 합성에 성공했다. 또 이 연구에서 합성된 다양한 형태의 다공성 물질들은 기존의 연구와 달리 단결정 상태로 합성에 성공했다. 이로써 다공성 물질인 MOF의 장점과 각 형태의 물질이 나타내는 장점을 결합시켜 기공을 통한 분자의 출입을 세밀하게 통제할 수 있는 시스템을 구현한 것이다. 구조적 유사성 분석과 계산을 통해 0차원 물질인 금속-유기 다면체 (Metal-organic polyhedral, MOPs)에서 3차원 물질인 MOF로 구조적 변화를 통해 단결정 내 성질이 다른 두 가지 물질을 공존시켰다. 이로써 다양한 형태의 물질을 합성할 수 있었다. 이러한 독특한 구조는 기존 다공성 물질에서는 구현되지 않는 새로운 종류의 고체다. |
3. 기대효과이번 연구를 통해 다공성 물질의 내부 구조를 세밀하게 조절할 수 있는 합성방법을 제시했다. 이는 기존 물질로 응용할 수 없었던 부분을 실현한 혁신적인 연구로써, 기공의 크기나 환경을 설계해 촉매나 배터리 연구 등 확산(diffusion) 현상이 물성에 큰 영향을 주는 응용 분야로 파급될 수 있다. 이번 연구에서 제시된 방법은 다양한 형태의 다공성 물질을 합성하는 연구를 뛰어넘어 미세(2㎚ 미만), 메조(2~50㎚), 거대(50㎚ 초과) 기공이 모두 공존할 수 있는 새로운 다공성 물질의 장을 여는 계기를 마련한다. 이러한 계층적(hierarchical) 다공성 구조는 특히 에너지 연구(촉매, 흡착, 분리 등)에 매우 중요한 역할을 차지하므로 신물질 개발에 중요한 단서를 제공한다. 또한 나노 입자와 결합된 하이브리드 물질을 합성함으로써 기질(substrate)을 인식하는 스마트 촉매로 작용해 다공성 물질 분야뿐 아니라 나노 물질 분야 등 여러 응용 분야에서 새로운 길을 제시하는 역할을 담당하리라 예상한다. |
|
[붙임] 용어 설명 |
1. 다양한 형태의 구조체 다양한 형태의 구조체는 모식도에서 보이는 것처럼 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. |
|
2. 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs) 금속-유기 골격체(MOFs)는 유기분자와 금속을 기초로 자기조립을 통해 이뤄진 새로운 종류의 다공성 고체 물질이다. MOFs는 금속 원소와 유기분자의 종류에 따라 다양한 구조를 합성할 수 있으며, 물질의 기공의 크기와 표면적을 자유롭게 조절할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 이 다공성 물질은 기체 흡착/저장, 분자의 선택적 분리, 불균일 촉매 등 다양한 영역에서 활용될 수 있다. 3. 금속-유기 다면체(Metal-Organic Polyhedra, MOPs) 금속-유기 다면체(MOPs)는 MOF와 같이 유기분자와 금속을 기초로 자기조립을 통해 이뤄진 새로운 종류의 다공성 고체물질의 한 종류다. MOP는 MOF와 다르게 유기분자와 금속이 자기조립을 통해 다면체 형태의 0차원 구조를 형성한다. MOP는 유기용매에 녹는 가공성을 갖고 있어 멤브레인, 필름 등의 응용 물질로 활용될 수 있다. 4. 계층적 (hiearchical) 다공성 구조 기공은 크기에 따라 세 종류로 분류될 수 있다. 기공의 크기가 2㎚보다 작은 기공은 미세 기공, 2~50㎚ 크기는 메조 기공, 50㎚보다 큰 기공은 거대 기공으로 분류된다. 계층적 다공성 물질이란 한 물질이 두 종류 이상의 기공을 가지는 경우를 일컫는다. |
|
[붙임] 그림 설명 |
|
그림 1. 다양한 형태의 다공성 물질 합성 과정을 나타내는 모식도. 0차원 물질인 금속-유기 다면체(MOP)인 ‘UMOM-1’에서 코어-쉘, 싱글-쉘 중공구조, 마트료시카 구조, 더블-쉘 중공구조를 합성했다. 각 과정은 다음과 같다. I-a: 유기물 첨가 과정, I-b': 화학적 에칭과정, I-b: 에피택시얼(epitaxial) 성장과정, I-c: 유기물 첨가 과정, I-d: 화학적 에칭과정.
그림 2. 단결정 싱글-쉘 중공구조(UMOM-1-b') (a-c) 싱글-쉘 중공구조 광학 현미경 사진, (d-f) 싱글-쉘 중공구조 주사 전자 현미경 사진, (g-h) 싱글-쉘 중공구조 합성 과정을 찍은 광학 현미경사진.
그림 3. 더블-쉘 중공구조(UMOM-1-d) (a) 더블-쉘 중공구조 합성 과정의 모식도, (b) 주사전자현미경을 통해 마트료시카(UMOM-1-b) 합성 과정 중 관찰한 모습, (c) 마트료시카(UMOM-1-b)의 광학현미경 사진, (d-f) 더블-쉘 중공구조 광학현미경 사진, (g-h) 더블-쉘 중공구조 주사전자현미경 사진. |
|
UNIST 홍보대외협력팀 newscenter@unist.ac.kr TEL : 052)217-1234FAX : 052)217-1229 |
