경계면 작용기 분석하는 알고리즘 개발하고 MOF 복합구조 합성
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경계면 작용기 분석하는 알고리즘 개발하고 MOF 복합구조 합성
  • 오현창 기자
  • 승인 2019.09.11 01:01
  • 댓글 0
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구성 물질의 조절로 물리적 성질 다양하게 변화 가능한 MOF 경계면을 분석… 복합물질 형성 가능한 구조쌍 간편하게 찾아내

생명화학공학과 김지한 교수와 UNIST 화학과 문회리 교수 공동연구팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 토대로 두 종류의 MOF로 이루어진 복합물질을 합성했다. 이번 연구는 지난 8월 9일 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 온라인판에 게재됐다. 

 

두 구조의 성질 모두 띠는 복합구조

MOF(Metal Organic Framework, MOF)는 금속과 유기 리간드로 이루어지는 나노 다공성 물질이다. MOF는 구조체를 구성하는 금속의 종류와 유기 리간드의 종류에 따라 다양한 모양의 구조체를 개발할 수 있고, 유기 리간드의 길이나 작용기 등을 조절함으로써 구조체의 성질을 다양하게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 가장 생각하기 쉬운 정육면체 모양의 MOF도 있지만, 구조체를 구성하는 금속 클러스터와 유기 리간드의 종류에 따라 기본적인 구조도 다양하게 바뀔 수 있다. 

구조 내 수많은 기공을 포함하는 MOF는 기공 안에서 화학반응을 일으키는 촉매로써 사용할 수 있고, 구조와 기체의 상호작용을 통해 기체 흡착 목적으로 사용할 수도 있다. 서로 다른 MOF의 복합구조, 특별히 중앙의 한 구조 위에 다른 구조를 성장시킨 구조는 하나의 물질에 두 가지의 기능성을 부여할 수 있어 MOF의 활용도를 더욱 높일 수 있을 것으로 기대되었다.

복합물질은 두 구조의 성질을 모두 활용할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가지지만, 경계면의 구조가 복잡해서 기존에는 많은 시뮬레이션 연구가 이루어지지 않았다. 원자 수가 많은 경우 양자역학적 계산은 오랜 시간이 소요되기 때문이다. 

 

결정의 표면 성질 파악하는 알고리즘

MOF를 비롯해 화학적으로 의미 있는 결정은 국제적인 데이터베이스로 한꺼번에 관리되고 있다. 연구팀은 이 데이터베이스에 등록된 MOF를 대상으로, 복합구조를 제작했을 때 안정하게 합성될 것으로 여겨지는 구조쌍을 찾기 위한 알고리즘을 개발했다.

두 가지 서로 다른 MOF가 복합구조로써 합성되기 위해선 두 구조 간 경계면에서의 상호작용이 중요하다. 각각의 3차원 구조 정보를 바탕으로 특정 결정면에서의 표면 모양을 얻어내고, 이를 통해 표면에서 잘 연결될 수 있는 쌍을 예측할 수 있다. 표면의 금속 부분과 유기 리간드가 알맞은 위치에 알맞은 방향으로 노출될수록 안정한 상호작용을 이룰 수 있다.

 

알고리즘으로 찾은 복합물질 구조쌍

현재 국제 데이터베이스에 등록된 MOF의 수는 8만 가지가 넘는다. 이들 중 두 복합구조를 성공적으로 이룰 것으로 예상되는 구조쌍을 사람이 일일이 찾는 것은 불가능에 가깝다. 연구팀은 알고리즘을 통해 복합구조를 이룰 가능성이 높은 구조쌍을 찾은 뒤, 이 중 학문적 가치가 높을 것으로 여겨지는 6쌍에 대해 실험을 진행했다.

복합구조 생성 가능한 구조쌍 찾는 알고리즘(a)수많은 구조 중 복합구조 생성 가능성 높은 구조쌍을 찾는 알고리즘의 모식도.(b)알고리즘으로 찾은 구조쌍을 순차적으로 합성해 만든 복합구조의 결정. (ⓒ김지한 교수 제공)
복합구조 생성 가능한 구조쌍 찾는 알고리즘(a)수많은 구조 중 복합구조 생성 가능성 높은 구조쌍을 찾는 알고리즘의 모식도.(b)알고리즘으로 찾은 구조쌍을 순차적으로 합성해 만든 복합구조의 결정. (ⓒ김지한 교수 제공)

연구팀은 알고리즘으로 찾은 구조쌍 중 한 구조를 먼저 합성하고, 합성된 결정 위에 다른 구조를 성장시키는 방식으로 실험했다. 두 구조의 합성, 유지 조건이 상이한 경우가 있어 두 번째 구조를 합성할 때 합성 조건을 최적화하는 과정이 필요했다. 연구팀이 실험한 경우에서는 두 번째 구조의 합성 조건에 맞출 때 합성이 더 성공적이었다. 연구팀은 결과적으로 추려낸 6쌍에 대해 모두 합성에 성공했고, 각 구조의 모습 역시 성공적으로 예측했다.

 

이번 연구에 제1 저자로 참여한 권오민 박사과정은 “수많은 경우의 수를 가지는 복합물질에 대한 대규모 분석은 이전까지 드물었다”라며 “보고되지 않은 물질을 간단한 구조적 알고리즘을 통해 예측했고, 합성에도 성공했다”고 연구의 의의를 전했다.
 


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