컴퓨터로 디자인한 다공성 복합재료 실제 합성에 성공

2019.08.26 11:27
연구팀이 합성에 성공한 금속 유기 구조체. KAIST 제공.
연구팀이 합성에 성공한 금속 유기 구조체. KAIST 제공.

국내 연구진이 컴퓨터 설계를 바탕으로 새로운 다공성 복합재료를 합성하는 데 성공했다. 복합재료를 구성하는 각 재료의 특성을 가지는 동시에 복합재료의 새로운 특성도 활용 가능해 촉매나 약물 전달, 센서 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다. 

 

KAIST는 김지한 생명화학공학과 교수와 문회리 울산과학기술원(UNIST) 교수 공동 연구팀이 컴퓨터 설계 기법을 활용한 이론적 디자인을 통해 새로운 다공성 복합재료를 합성하고 연구결과를 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 발표했다고 26일 밝혔다. 

 

이번 연구에 사용한 금속 유기 구조체(MOF)는 다양한 금속 이온 집합체와 유기 리간드로 구성된 화합물의 일종이다. 

 

금속 유기 구조체는 각 구성요소의 다양성 때문에 지난 20년간 8만여개 이상의 구조들이 실험으로 합성됐다. 최근에는 금속 유기 구조체를 다른 소재와 혼합해 기능을 다양하게 만들거나 한가지 물질의 단점을 다른 물질의 장점으로 보완해 성능을 최적화하는 연구가 진행되고 있다. 

 

그러나 기존의 합성된 금속 유기 구조체 복합재료들은 두 물질의 경계면에서 서로 어떻게 결합하는지 정확한 정보가 부족했다. 또 8만여개의 금속 유기 구조체 중 표면에서 서로 결합할 수 있는 조합을 일일이 눈으로 찾아내는 데 시간이 오래 걸렸고 수많은 시행착오도 겪어야 했다.

 

이런 이유로 8만여개 이상의 금속 유기 구조체를 사용해 복합물질을 형성할 수 있는 경우의 수가 상당히 많아도 지금까지 합성된 복합재료의 수는 극히 일부에 불과했다. 

 

이같은 문제를 해결하기 위해 공동연구팀은 미시적인 분자구조 정보를 활용, 먼저 합성 가능성이 큰 구조들을 선별한 뒤 이를 실험적으로 합성해 새로운 복합물질을 개발하고 합성하는 시간을 획기적으로 줄이는 데 성공했다. 

김지한 KAIST 교수(왼쪽)와 연구팀. KAIST 제공.
김지한 KAIST 교수(왼쪽)와 연구팀. KAIST 제공.

김지한 KAIST 교수가 이끈 시뮬레이션팀은 직접 개발한 컴퓨터 알고리즘을 활용해 기존에 발표된 8만여개의 데이터로부터 특정 구조체의 결정면과 상호 연결될 수 있는 결정면을 지닌 다양한 금속 유기 구조체 쌍을 얻는 데 성공했다. 또 두 금속 유기 구조체가 연결된 경계면이 지니는 안정적인 구조를 예측했다. 

 

문회리 UNIST 교수 연구팀은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 6종의 새로운 금속 유기 구조체 복합재료를 성공적으로 합성했다. 시뮬레이션으로 예측된 내용이 실험적으로 합성될 수 있음을 증명한 것이다. 

 

이를 통해 공동연구팀은 서로 다른 두 금속 유기 구조체 간 경계면을 분자 수준에서 깨끗하게 하나의 구조로 연결하는 다공성 복합재료를 새롭게 합성하는 데 성공했다. 

 

문회리 교수는 “실험과 컴퓨터 시뮬레이션 협력 연구를 통해 그동안 합성이 어려웠던 다기능 다고엉 복합재료를 설계하고 합성할 수 있는 가능성을 보여준 연구”라고 평가했다. 김지한 교수는 “나노 다공성 복합 물질을 이론적으로 디자인해 합성까지 성공한 첫 사례”라고 밝혔다. 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.

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