보도자료

2024. 9.10.(화)부터 보도해 주시기 바랍니다.

‘환경 살릴 신소재’ 지르코늄 기반 구조 26종 발굴

UNIST 최원영 연구팀, 새로운 금속-유기 골격체 구조 개발 성공
고성능 다공성 소재 개발 앞당겨… Nature Synthesis 게재

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.

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 제한되어, 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.

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 확장되어 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.

(논문명: Up-Down Approach for Expanding the Chemical Space of Metal-Organic Frameworks)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 권익만 담당 (052)217-1222

화학과: 최원영 교수 (052)217-2546

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

합성 화학자들은 새로운 물질을 우연히 발견하기도 하지만 보다 정교하게 설계된 전략을 사용해 개발하고자 노력해왔다. 이런 전략은 최근 20년 동안 특히 에너지, 환경, 생의학 같은 다양한 분야에서 중요한 역할을 해온 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)라는 새로운 다공성 물질의 연구에서도 두드러졌다. 현재 약 11만 개 이상의 구조가 등록될 정도로 MOF는 구조적 다양성이 뛰어나다. 이러한 성과는 상향식(Bottom-up) 및 하향식(Top-down) 접근법과 같은 합리적인 구조 설계 전략이 새로운 구조에 대한 청사진을 제공해왔기에 가능했다. 그러나 이러한 기존 접근법들은 미리 정해진 구성 요소와 구조에만 집중하기 때문에 잠재적인 구조를 폭넓게 탐색하는 데 한계가 있었다. 이러한 배경에서 본 연구는 새로운 MOF 구조를 더 효율적이고 체계적으로 탐색할 수 있는 설계 전략을 개발하는 것을 목표로 하였다.

2. 연구내용

본 연구에서는 기존의 상향식 및 하향식 접근법을 결합한 새로운 방법인 상-하향 접근법(Up-Down Approach, UDA)을 제안했다. UDA는 토폴로지 데이터베이스(RCSR)를 기반으로 하며, 합성 화학자들이 쉽게 활용할 수 있도록 컴퓨터 계산없이 개발되었다. UDA는 먼저 목표 금속 클러스터에서 가능한 구조(토폴로지)를 탐색한 후, 그 구조에 맞는 유기 리간드를 결정하는 순서로 진행된다. 이 연구에서는 화학적 안정성이 높은 지르코늄 금속 클러스터(Zr6) 기반 MOF를 첫 번째 타겟으로 삼아, 26개의 새로운 Zr-MOF 구조를 발견했다. 그중 두 가지 구조는 실제로 합성하여 그 가능성을 입증했다. 또한, 연구자들은 리본 표현법을 사용해 Zr6 클러스터의 방향과 유기 리간드의 세부적인 구조를 시각화하고, 리간드 각도를 분석하여 새로운 Zr-MOF 구조를 합성하기 위한 전략을 제안했다. 이 과정에서 선형, 삼각형, 사면체와 같은 다양한 리간드를 활용해 복잡한 구조를 설계하고, UMOF-10과 UPF-101 같은 새로운 MOF를 성공적으로 합성했다. 각 구조의 특성과 안정성을 평가하며, 이들이 다양한 응용 분야에서 어떻게 활용될 수 있는지도 탐구했다. 이 연구는 기존 MOF 데이터베이스를 확장하고, 새로운 구조를 합성하기 위한 체계적인 스크리닝 및 설계 전략의 중요성을 강조했다.

3. 기대효과

본 연구에서 제안된 상-하향 접근법(UDA)은 새로운 MOF 구조를 효율적이고 체계적으로 발견할 수 있는 길을 열어주며, 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 제시한다. 특히, UDA는 지르코늄 기반 MOF 외에도 구리, 철, 아연, 희토류 금속 클러스터 등 다양한 금속 클러스터로 확장될 가능성이 있다. 또한, UDA는 유기 리간드에서 시작하는 방식으로도 접근할 수 있어 MOF의 화학적 공간을 더욱 넓힐 수 있다. UDA를 활용한 체계적인 스크리닝과 설계 전략은 새로운 MOF 및 고성능 재료의 개발을 가속화하는 데 기여할 것이며, 에너지 저장, 가스 분리, 촉매, 환경 정화 등 여러 분야에서 필요한 혁신적인 미래 소재들을 빠르게 발견하는데 중요한 역할을 할 것이다. 또한 UDA와 계산기반의 가상 MOF 생성 연구가 결합될 경우, 새로운 MOF 구조를 더욱더 빠르게 탐색할 수 있는 강력한 도구로 발전할 것으로 예상된다.