▲ 새로운 금속-유기 골격체 발굴을 위한 상-하향 접근법 (Up-down approach, UDA)과 기존의 상향식 및 하향식 접근법의 비교.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

UNIST 화학과 최원영 교수 연구팀이 환경 문제 해결에 기여할 수 있는 차세대 고성능 금속-유기 골격체(Metal-organic framework, MOF) 구조 26종을 새롭게 발굴했다. 연구 성과는 신소재 개발을 크게 앞당길 것으로 기대되며, 국제 학술지 Nature Synthesis에 9월 5일자로 게재되었다.

신소재 발굴의 혁신적 전략: 상-하향 접근법

이번 연구에서 연구팀은 ‘상-하향 접근법(Up-down approach)’을 통해 기존 방식보다 빠르고 효율적으로 새로운 소재 구조를 발견할 수 있는 길을 열었다. 이 방법은 기존의 상향식 및 하향식 방법을 결합한 것으로, 더 넓은 화학적 공간에서 신소재를 탐색할 수 있는 전략이다.

상향식 접근법은 작은 단위부터 소재를 쌓아 올리는 방식이고, 하향식 접근법은 목표로 하는 구조를 설정하고 이에 맞는 재료를 찾는 방식이다. 연구팀은 먼저 금속 클러스터를 활용해 설계 가능한 구조를 탐색한 후, 이를 연결하는 유기 연결제인 리간드를 찾아 신소재 구조를 완성했다. 이를 통해 금속-유기 골격체의 화학적 다양성을 크게 확장하는 데 성공했다.

26종의 새로운 지르코늄 기반 구조 발견

연구팀은 지르코늄을 사용해 26개의 새로운 금속-유기 골격체 구조를 발굴했으며, 이 중 두 가지는 실제로 합성에도 성공했다. 특히, 리간드 구조 설계의 정확성을 높이기 위해 ‘리본 표현법’을 도입하여 보다 정밀한 신소재 합성이 가능해졌다.

금속-유기 골격체는 이산화탄소 분리 및 저장, 촉매 반응, 환경 정화 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 크다. 하지만 기존 방식은 제한된 구성 요소와 구조로 인해 신소재 개발의 한계가 있었으나, 이번 연구는 이러한 한계를 극복하며 신소재 설계의 새로운 가능성을 제시했다.

연구 성과와 기대

최원영 교수는 "이번 연구는 금속-유기 골격체의 화학적 다양성을 크게 확장했으며, 신소재 개발의 새로운 전환점을 제시할 것"이라고 밝혔다. 제1저자인 김지연 연구원은 "이 접근법은 신소재를 신속히 탐구하고 개발하는 데 강력한 도구가 될 것"이라고 강조했다. 공동 1저자인 남동식 연구원 또한 “촉매, 가스 저장, 환경 정화 등 다양한 분야에서 혁신적 소재를 빠르게 발견할 수 있는 계기를 마련했다”고 전했다.

이 연구는 한국연구재단(NRF)과 UNIST의 지원을 받았으며, KAIST 김지한 교수팀이 공동으로 참여했다.

논문명은 Up-Down Approach for Expanding the Chemical Space of Metal-Organic Frameworks 이다.