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중국과학기술대학교 화학 및 재료과학 대학 류보(劉波) 교수 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 일종 구아니딘 이온과 붕산염 이온으로 이온형 수소 결합 유기 프레임워크(HOF, Hydrogen-bonded Organic Framework) 소재를 개발하고 일상 온도와 압력 하에서 주체 구조 분리와 재구성을 실현한 동시에 객체(客體) 분자의 방출과 가역 흡착을 실현하는데 성공하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 이번 연구를 통해 수소 결합 보조의 슈퍼 분자 조립을 통해 프레임워크 소재를 개발하였는데 동 소재는 구조적 유연성을 가지지만 수소 결합의 비(非) 공유 원자가 취약 상호 역할로 인해 주체 구조가 매우 취약하며 객체 분자를 방출하는 과정에서 구조 붕괴를 발생시키는 것으로 나타났음.

수소 결합과 반데르발스 힘(Van der Waals force) 외, 음이온과 양이온 간의 정전기 흡인 역할은 이온형 HOF를 조립, 형성하는 과정에서 중요한 역할을 발휘하며, 프레임워크 소재의 안정성을 뚜렷이 강화시키는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 "붕산에스테르 음이온과 구아니딘 양이온은 정전기 상호 역할과 수소 결합을 통해 구성된 이온형 HOF([B(OCH3)4]3[C(NH2)3]4Cl•4CH3OH)로 하여금 서브 안정 상태 특성을 보유할 수 있도록 하며, 일상적인 온도와 압력 하에서 붕산에스테르의 물 분해 때문에 구조적인 붕괴와 객체 분자(메틸알코올)를 방출하여 구조 중의 모든 –OCH3를 제거하고 완전히 혹은 부분적으로 –OH 전환을 실현하게 된다"는 점을 발견하였음.

중요한 점은 "최종적으로 취득한 안정적인 생성물은 메틸알코올 기체 혹은 용매 속에서 재결정을 통해 구조의 재구성을 완성하고, 메틸알코올의 도입을 완성하게 된다"는 점이며, 관련 순환 과정은 일상 온도와 압력 하에서 외계 에너지 수입에 의존하지 않고도 실현할 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 흡착에 대한 연구를 통해 객체 분자 메틸알코올이 구조를 재구성하는 과정에서 한편으로 부분적인 메틸알코올(3/4 총 량)은 붕산에스테르 형성에 다시 참여하며, 다른 한 편으로 구조가 점차 회복됨에 따라 HOF 홀 내(1/4 총 량) 흡착이 실현되어 동 HOF 소재의 가역 구조 전환을 완성하고 전체 과정의 흡착, 탈착 총 량과 구조 일치를 실현하는 동시에 메틸알코올 총 방출량이 동 소재 속에서 차지하는 비중이 60% 수준에 도달한다는 점을 입증하였음.

그 외, 연구팀은 이번 연구를 통해 HOF 홀 내에 존재하는 메틸알코올은 실온 방출을 실현하고 공기 속에서 직접 점화되어 주체의 프레임워크 구조를 파괴하지 않는다는 점을 발견하였으며, 연구팀은 일상적인 온도와 압력 하에서 편리하고 경제적인 방식으로 하이드레이트 저장과 메탄 분자 방출 행위를 시뮬레이션 하는데 성공하였음.

연구팀은 이온형 HOF 소재가 자연 조건 하에서 VOC 분자 방출과 흡착을 통해 가역 구조 전환을 실현한다는 점을 발견하였으며, 이런 전환을 실현하는 과정에서 외계 에너지가 필요 없이 주체와 객체 상호 역할을 제거한다는 점을 발견하였음.

연구팀은 서브 안정 상태의 HOF를 통해 효율적인 에너지 로드체 소재 개발에 필요한 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Combustible ice mimicking behavior of hydrogen-bonded organic framework at ambient condition") 지에 게재됨.