UNIST(총장 정무영)는 최원영 자연과학부 교수팀이 나노 다공성 물질의 내부 구조를 손쉽게 만드는 새로운 합성법을 개발했다고 4일 밝혔다. 이번 연구 성과는 이날 네이처 '커뮤니케이션(Nature Communications)'에 실렸다. 

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

이에 과학계에서는 유기분자와 금속을 이용해 스스로 조립되는 다공성 물질을 개발했다. '금속-유기 골격체(MOFs)'와 '금속-유기 다면체(MOPs)'이 대표적이다. 모두 구멍이 뚫린 물질로 MOPs는 용매에 잘 녹고 MOFs는 쉽게 녹지 않는 성질이 있다. 

연구팀은 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. 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 2나노미터(㎚) 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 할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 

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.