나노기술 및 정책 정보

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KAIST 김지한 교수 연구팀이 공동연구를 통해 컴퓨터 설계를 기반으로 새로운 다공성 복합재료를 합성함.

이번 연구에 사용한 금속 유기 구조체(Metal-Organic Framework, MOF)는 다양한 금속 이온 집합체와 유기 리간드로 구성된 화합물의 일종으로 나노 수준의 기공을 갖는 결정성 물질인데, MOF를 다른 소재와 혼합해 기능을 다양화할 수 있음. 그러나 기존의 합성된 MOF 복합재료들은 두 물질의 경계면에서 서로 어떻게 결합하는지에 대한 정확한 정보가 없고 그 형태가 무질서해 어떻게 만들어지는지에 대한 이해가 부족하기에 합성된 복합재료의 수는 극히 일부로 제한되었음. 해당 연구진은 미시적인 분자구조 정보를 활용해 먼저 합성 가능성이 큰 구조들을 선별한 뒤, 이를 실험적으로 합성함으로써 실제 새로운 복합물질을 개발하고 합성하는 시간을 획기적으로 단축함. 직접 개발한 컴퓨터 알고리즘 및 양자역학 시뮬레이션을 통해 두 MOF가 연결된 경계면이 가질 수 있는 안정적인 구조를 예측해냄. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 6종류의 새로운 MOF 복합재료를 성공적으로 합성함으로써 시뮬레이션으로 예측된 내용이 실험적으로 합성될 수 있음이 증명되었으며, MOF 결정면 위에 다른 구조체가 하나의 구조로 자라나는 원리를 규명했고, 두 물질의 기공이 서로 연결돼 내부까지 분자가 자유롭게 이동할 수 있음을 확인함. 

세계 최초로 나노 다공성 복합물질을 이론적으로 디자인해 합성까지 성공한 첫 사례로, 재료를 합성하는데 해당 연구방식을 응용한다면 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있고, 이러한 복합물질은 각각의 특성을 동시에 가지면서 융합된 새로운 성질을 나타낼 수 있어 촉매, 기체 저장 및 분리, 센서, 약물 전달 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대됨.

※ Nature communications 게재