[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

금속-유기 다공성 물질은 기하학적 형태를 지닌 금속 클러스터1)와 유기연결제2)로 이루어진다. 이 구성 요소들을 조립하여 새로운 물질을 미리 예측할 수 있다. 이러한 장점을 바탕으로, 금속-유기 다공성 물질은 신물질 발견 연구의 주축이 되었고, 다양한 응용분야에 사용되는 플랫폼이 되었다.

금속-유기 다공성 물질의 구조 설계는 더욱 발전하여 최근에는 보다 정교한 설계 전략들이 등장한다. 하지만 구성요소 중 하나인 금속 클러스터를 개발하는 것은 여전히 쉽지 않다. 금속 클러스터는 금속-유기 다공성 물질의 합성 중 금속 이온들의 결합으로 생성되는데, 이 결합을 조절하거나 예측하기가 어렵기 때문이다. 새로운 금속 클러스터를 발견할 전략에 대해서, 연구팀은 금속 클러스터에 대응하는 분자들이 존재한다는 사실에 착안했다. 대표적인 금속-유기 다공성 물질들이 보고되기 훨씬 이전에 유사한 분자 형태의 금속 클러스터가 보고된 것이다. 연구팀은 분자 금속 클러스터를 포괄적으로 조사하면, 미래에 구현될 금속-유기 다공성 물질의 금속 클러스터를 제안할 수 있을 것으로 예상했다.

연구팀은 미래 금속 클러스터의 발견을 앞당기기 위해, 대표적인 금속 클러스터 중 하나인 지르코늄 클러스터3)를 연구대상으로 설정했다. 지르코늄 기반 다공성 물질은 안정성이 뛰어나고 응용가능성이 높아 최근에도 새로운 구조에 대한 관심이 높은 물질이다. 연구팀은 현재까지 다공성 물질에서 구현된 지르코늄 클러스터의 구조적 진화를 요약하고, 분자 형태로 나타난 지르코늄 클러스터들을 분류하여 미래 금속 클러스터로 제시하였다.

2. 연구내용

연구팀은 먼저 금속-유기 다공성 물질에서 구현된 지르코늄 클러스터들을 조사하였다. 기존 잘 알려진 Zr6 를 비롯해, Zr9, (Zr6)2, Zr12, Zr6(Zr5)2 의 형태들을 찾을 수 있었다. 이 중 Zr9 과 Zr12 의 경우에는 각각 같은 지르코늄 원자 개수를 가지면서 형태가 다른 두 종류의 금속 클러스터가 발견되었다. 총 7 종류의 지르코늄 금속 클러스터들이 다공성 물질에서 구현되었다. 금속 클러스터는 연결되는 유기연결제의 개수에 따라 다양한 연결수를 가지는데, 특히 가장 활발히 연구된 Zr6에서 넓은 범위의 연결수가 보고되었다.

연구팀이 예상하듯이, 지르코늄 금속 클러스터 중에도 앞서 보고된 대응 분자가 있는지 조사하였다. Zr6, (Zr6)2, Zr12 금속 클러스터들의 경우 흥미롭게도 훨씬 이전에 분자 지르코늄 클러스터가 발견되었다. Zr6(Zr5)2 의 경우 같은 년도에 분자 형태의 클러스터와 다공성 물질의 금속 클러스터가 동시에 보고되었다.

다른 분자 형태의 지르코늄 클러스터들을 조사한 결과, 다공성 물질의 경우에 비해 훨씬 다양한 구조들이 발견되었다. 지르코늄 원자 수로 분류했을 때, Zr3, Zr4, Zr5, Zr6, Zr9, Zr10, (Zr6)2, Zr12, Zr6(Zr5)2, Zr17, Zr18, Zr26, Zr36 가 발견되었다. 구조 유형을 분류하였을 때, 앞서 언급된 4종을 포함하여 18 종류가 존재했다. 이는 아직 많은 분자 지르코늄 클러스터들이 미래 금속 클러스터를 위한 후보군이 될 수 있음을 의미한다. 연구팀은 또한 보고된 예시들을 바탕으로 미래 지르코늄 금속 클러스터를 합성하기 위한 순차적 합성 전략을 제시했다.

3. 기대효과

이번 연구는 다공성 물질 분야에서 잘 눈여겨보지 않은 분자들을 새로운 다공성 물질의 금속 클러스터로 제안하였다. 이는 기존 예측하기 어려웠던 금속 클러스터의 후보군을 제시하여 새로운 구조 발견을 크게 앞당길 것으로 기대된다. 특히 지르코늄 금속 클러스터가 분자 흡착 및 촉매 작용에서 우수한 성능을 보임을 감안하면, 연구팀이 제시한 지르코늄 클러스터가 어떤 물성을 보일지도 흥미롭다. 이번 연구의 관점과 진행된 조사 방식은 금속-유기 다공성 물질의 다양한 금속 클러스터들에 적용가능하여, 해당 분야 전반에서 새로운 구조 발견을 가속화할 것으로 예상된다.

[붙임] 용어설명

1. 금속 클러스터 (metal cluster)

금속-유기 다공성 물질을 구성하는 요소 중, 흔히 꼭짓점에 해당하는 금속 이온들의 조합을 말한다.

2. 유기연결제 (organic linker)

금속-유기 다공성 물질을 구성하는 요소 중, 금속 클러스터들을 연결하여 흔히 선으로 표현되는 유기 분자를 말한다.

3. 지르코늄 클러스터 (zirconium cluster)

지르코늄 이온들로 이루어진 금속 클러스터를 말한다. 특정 방향으로 유기연결제가 연결될 수 있어 기하학적 구조를 가지며 다양한 연결수를 보인다. 일반적으로 화학적 안정성이 뛰어나 금속-유기 다공성 물질의 응용을 위해 주목받는 구성 요소이다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림1. 금속-유기 다공성 물질에서 구현된 지르코늄 금속 클러스터

지르코늄 원자 수로 분류하였을 때, Zr6, Zr9, (Zr6)2, Zr12, Zr16 이 구현되었다. Zr6에서 특히 다양한 연결수가 보고됐다.

그림2. 미래 지르코늄 금속 클러스터 후보군 요약.

분자와 다공성 물질에서 형성된 지르코늄 금속 클러스터들을 비교하였을 때, 4 종류가 공통적으로 발견 되었고 다른 다양한 분자 지르코늄 클러스터가 미래 후보군이 될 수 있다.