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무기 및 유기 성분으로 구성된 재료는 두 가지 세계의 장점을 결합할 수 있음. 특정 상황에서 소위 MOF (금속-유기 프레임 워크의 줄임말)는 결정과 동일한 순서로 구조화되고 동시에 다공성이며 변형 가능함. 이것은 에너지 절약 기술 응용을 위한 지능형 재료의 가능성을 열어줌. 그러나 지금까지 몇 가지의 유연한 MOF만 확인되었음.

독일의 보훔 루르 대학교(Ruhr-Universität Bochum)와 뮌헨 공과대학교(Technical University of Munich) 공동연구팀이 실험과 시뮬레이션을 사용하여 MOF를 유연하게 만들 수 있는 방법과 이유를 알아냈음. MOF의 적용 가능성은 약 20 년 전에 처음 발견되었으며 그 이후 거의 100,000 개의 하이브리드 다공성 물질이 확인되었음. 기술 응용 프로그램으로 적용하기 위해, 특히 유연한 MOF에 대한 기대가 큼. 예를 들어, 쇼크 업소버로서 갑작스런 고압에 대해 그들은 기공을 닫고 부피를 줄임으로써, 즉 소성 변형으로 반응할 수 있음. 또는 화학 물질을 스펀지처럼 기공에 흡수하고 압력을 받으면 다시 방출하여 서로 분리할 수 있음. 이것은 일반적인 증류 공정보다 훨씬 적은 에너지를 필요로 함. 그러나 현재까지 이러한 유연한 MOF는 몇 개만 확인되었음.

이러한 재료의 기본 메커니즘을 파악하기 위해 뮌헨 팀은 이미 널리 알려진 MOF에 대한 보다 상세한 실험 분석을 수행했음. 이를 위해 연구원들은 X 선 구조 분석을 사용하여 내부에서 일어나는 일을 관찰하면서 모든 방향에서 균일한 압력을 가했음. 재료가 압력 하에서 어떻게 작용하는지, 그리고 어떤 화학적 요인이 개방 기공 상태와 폐쇄 기공 상태 사이의 상전이의 원동력인지 분석이 필요함. 실험은 닫힌 기공 형태가 안정적이지 않음을 보여주었음. 압력을 받으면 시스템이 결정질 순서를 잃게 됨. 이것은 동일한 기본 구조에 대한 변형의 경우가 아님. 연구팀이 기공으로 튀어 나온 MOF의 유기 연결 조각에 탄소 원자의 유연한 측쇄를 부착하면 재료가 압축되었을 때 손상되지 않고 압력이 감소하면 원래 모양을 다시 회복했음. 카본 암은 유연하지 않은 재료를 유연한 MOF로 바꾸었음.

Bochum 팀은 컴퓨터 화학 및 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 기본 원리를 조사했음. 연구팀은 그 비밀이 소위 엔트로피라는 측쇄의 자유도에 있다는 것을 보여주었음. 자연의 모든 시스템은 가능한 최대 엔트로피, 간단히 말해서 시스템의 에너지를 분배할 수 있는 최대 자유도를 찾아감. 공극에 있는 탄소 암의 가능한 많은 배열은 MOF의 개방 구멍 구조가 엔트로피적으로 안정화되도록 보장함. 이것은 탄소 암이 없는 경우처럼 기공이 함께 압착될 때 부서지는 대신 개방 기공에서 폐쇄 기공 구조로의 상변화를 촉진함. 많은 원자로 구성된 큰 시스템을 계산하고 기공에 있는 팔의 가능한 많은 구성을 찾기 위해 팀은 시뮬레이션을 위한 정확하고 수치적으로 효율적인 이론적 모델을 개발했음. 연구의 핵심 결과는 열역학적 요인에 의해 지능형 재료의 거시적 반응 거동을 제어하고 수정하기 위한 또 다른 화학적 옵션을 식별하는 것임. 이 연구의 발견은 다공성 MOF에서 구조적 상변화를 구체적으로 달성할 수 있는 새로운 방법을 개발한 것임.

본 연구 성과는 ‘Angewandte Chemie’ ("Configurational Entropy Driven High-Pressure Behavior of a Flexible Metal-Organic Framework") 지에 게재됨