▲ 다양한 형태의 다공성 물질 합성 과정을 나타내는 모식도.

구멍이 송송 뚫린 물질의 크기 모양 조절의 수준을 넘어 내부 구조도 정교하게 설계할수 있는 방법이 개발됐다. 겉과 속을 다르게 설계할 수 있어 촉매나 기체 저장, 약물전달 등에서 유용하게 쓰일 전망이다.

UNIST(총장 정무영)는 최원영 자연과학부 교수팀이 나노 다공성 물질의 내부 구조를 손쉽게 만드는 새로운 합성법을 개발했다고 밝혔다. 단계별로 따라하면 정교한 구조도 간단하게 합성할 수 있어 용도에 맞는 다공성 물질을 설계하고 성능도 높일 수 있을 전망이다.

다공성 물질은 표면적이 넓어 화학반응이 활발하게 일어난다는 점 때문에 촉매나 기체 포집물질 등으로 활용도가 높다. 지금까지는 ‘제올라이트’처럼 자연에서 얻을 수 있는 다공성 물질이 주로 이용됐는데, 구멍 크기와 모양을 조절할 수 없다는 한계가 있었다.

이에 과학자들은 유기분자와 금속을 이용해 스스로 조립되는 다공성 물질을 개발했다. ‘금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)’와 ‘금속-유기 다면체(Metal-Organic Polyhedral, MOPs)’가 대표적이다. 둘 모두 구멍이 송송 뚫린 물질인데, MOPs는 용매에 잘 녹고 MOFs는 쉽게 녹지 않는 성질이 있다.

이번 연구에 제1저자로 참여한 이지영 UNIST 자연과학부 석·박사통합과정 연구원은 “MOFs는 금속과 유기분자가 연결돼 3차원 구조를 이룬 형태이고, MOPs는 다공성 입자가 뭉친 점 형태”라며 “둘을 적절히 조합하면 다공성 물질의 안팎을 다양하게 설계할 수 있다”고 설명했다.

최 교수팀은 우선 MOPs를 합성한 뒤 유기물을 더해서 아몬드 초콜릿처럼 겉과 속이 다른 물질로 꽉찬 ‘코어-쉘 구조’를 만들었다. 이 상태에서 용매를 써서 MOPs를 녹여내면 가운데가 빈 ‘싱글-쉘 중공구조’을 얻을 수 있다.

싱글-쉘 구조에서 MOPs를 다시 성장시키면, 러시아 인형을 닮은 ‘마트료시카(matryoshka) 구조’가 된다. 이 상태에 다시 유기물을 첨가한 다음 용매로 녹여내면, 가운데가 비고 껍질이 두 개인 ‘더블-쉘 중공구조’까지 만들 수 있다.

최원영 교수는 “하나의 결정에 서로 성질이 다른 물질을 공존시키는 게 큰 특징”이라며 “구멍의 크기와 모양도 조절할 수 있어 분자의 출입을 세밀하게 통제할 수 있는 시스템으로 활용할 수 있다”고 말했다.

특히 이 합성법으로는 2㎚ 미만의 미세기공과 2~50㎚의 메조기공, 50㎚보다 큰 거대기공이 모두 존재하는 새로운 다공성 물질을 만들 수 있다. 이런 계층적 다공성 구조는 에너지 연구의 촉매, 흡착, 분리 등에서 중요한 역할을 한다.

이번 연구에 참여한 곽자훈 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수는 “이번 결과는 에너지 연구에 필요한 신물질을 개발하는 데 중요하게 쓰일 것”이라며 “나노입자와 결합된 이종 물질을 합성하는 등 나노과학의 여러 분야에서도 새로운 길을 열 것”이라고 내다봤다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌으며 지난 4일자 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 게재됐다.