숙명여자대학교 화공생명공학부 최경민 교수팀은 상용화된 흡착제와 기존 금속유기구조체로 다루기 어려웠던 영역에 최적화되어 사용될 수 있는 다변량 금속유기구조체의 작용원리를 규명하고 적용 가능성을 높이는 데 성공했다.

왼쪽부터 최경민 화공생명공학부 교수, 고소연 연구원, 류언진 연구원

이번 연구는 다변량 금속유기구조체 내에서 일어나는 작용원리를 규명함으로써 향후 다변량 금속유기구조체의 최적화 디자인을 통해 기존흡착제로 대응할 수 없었던 다양한 분야(특수가스 생산 또는 이송, 미량의 공기 중 유해화합물 정화, 약물의 이송 및 전달)에 적용될 수 있는 기반을 마련했다.

연구팀에 따르면 금속유기구조체(metal-organic frameworks, MOFs)는 분자로 만들어진 건축물과 같은 물질로써 내부에 나노 공간을 포함하고 있다. 현재 이러한 금속유기구조체가 타깃으로 하는 물질의 출입 거동을 조절하기 위해 다양한 기능기를 가진 금속유기구조체를 만들고 그 내부를 정교하게 조절하는 기술이 개발되고 있다.

기존 연구에서는 정교한 내부 공간을 디자인하는 다변량 내부구조 조절 기술개발과 실제 타깃으로 하는 물질에 대한 금속유기구조체 내부 거동 패턴과 어떠한 변수들의 조합이 이에 영향을 미치는지 명확하게 밝혀지지 않았다.

다변량 금속유기구조체 내 물질 행동 패턴

이에 연구팀은 다변량 시스템을 가진 금속유기구조체(multivariate-MOF, MTV-MOF)를 구현하여 기능기의 양과 관계없이 일정한 이산화탄소와 물의 흡착 거동을 보인다는 것을 확인하였으며 시스템이 가지는 특이적 흡착 거동의 작용원리를 규명하였다.

최 교수 연구팀은 다변량 금속유기구조체 내 타깃 물질이 들어올 때 입자 외부에 위치한 기능기에 의해 그 물질의 거동 패턴이 결정된다는 것을 밝혀냈다. 이것은 마치 여러 가지 다양한 내부 설계로 이루어져 있는 아파트에 입주자가 들어오더라도 가장 외부에서 입주자가 먼저 접하는 인테리어 및 시설이 입주자의 거동에 가장 큰 영향을 미치는 것과 같은 현상이라고 할 수 있다.

연구에 사용된 다변량 금속유기구조체

연구팀은 또한 전자현미경을 통해 다변량 금속유기구조체 외부에 위치한 기능기의 상호작용이 전체 샘플의 흡착 거동에 주요하게 영향을 준다는 것을 증명하였다.

이번 연구는 향후 해당 물질이 사용될 수 있는 적용 분야에 대한 최적화 설계와 현실화 가능성을 높이는 데 크게 기여했다는 평가를 받았다.

한편 이번 연구 결과는 세계적 권위의 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of American Chemical Soecity, JACS)’ 온라인판 2023년 2월 1일에 게재되었다.

(논문명: Effect of Spatial Heterogeneity on the Unusual Uptake Behavior of Multivariate-MOF)

본 연구의 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견 연구지원사업(2022R1A2B5B01001826)과 기초의과학연구센터(MRC, 2022R1A5A2021216)의 지원으로 수행되었다.

최경민 교수는 “이 연구는 복잡계의 성격을 가진 다변량 금속유기구조체의 내부에서 나타나는 타깃 물질에 대한 상호적용 원리를 규명한 것이다”라며 ”상용화된 흡착제와 기존 금속유기구조체로 적용하기 어려웠던 특수가스 생산 또는 이송, 미량의 공기 중 유해화합물의 정화, 약물의 이송 및 전달 등의 영역에 적용할 수 있을 것으로 기대된다“라고 밝혔다.