우리나라 연구진이 데이터 기반 구조 예측 알고리즘을 개발하고, 이를 이용해 제올라이트 모방 다공성물질(ZIF) 3종을 합성하는데 성공했다.
개발과 합성 성공의 주역은 최원영·오현철 UNIST 화학과 교수와 이정훈 한국과학기술연구원(KIST) 연구원 공동 연구팀이다.
ZIF는 금속-유기 골격체(MOF, 금속과 유기물의 화학적 결합으로 나노미터 수준의 다공성 구조를 형성하는 물질)의 일종으로 우수한 화학적 안정성과 기공 설계의 유연성을 지녀 이산화탄소 포집, 기체 정제, 촉매 등으로 응용할 수 있는 물질이다.
ZIF는 이론적으로는 금속과 유기물을 조합을 바꿔가며 수백만 종을 만들 수 있다. 하지만 실제로 합성에 성공한 ZIF는 약 50종에 불과하다. 이론적 예측과 실제 합성의 불일치로 인해 '제올라이트 난제'라 불릴 정도다.
공동 연구팀은 화학적 직관을 수치화해 수백만 개의 가상(이론)구조 가운데 실제로 합성 가능한 구조를 선별할 수 있는 새로운 알고리즘을 개발했다. 원자 사이의 결합각, 하나의 원자가 몇 개의 고리구조로 다른 원자와 연결되는지, 그 연결은 얼마나 규칙적인가 등을 정량화한 알고리즘이다.
이어 이 알고리즘을 이용해 445만797종의 가상구조 후보군을 420종으로 압축하고, 에너지 안정성 기준 적용을 거쳐 90종을 도출했다. 90종을 대상으로 실험해 지금까지 보고된 적 없는 새로운 ZIF 3종(UZIF-31, UZIF-32, UZIF-33)을 실제 합성하는데 성공했다.
합성한 ZIF 3종은 모두 이산화탄소와 메탄을 선택적으로 분리할 수 있는 고기능성을 갖췄다. 이 가운데 UZIF-33은 메탄보다 이산화탄소를 약 10배 이상 선택적으로 흡착했다. 온실가스 분리와 정제에 활용할 수 있는 높은 잠재력을 보여주는 지표다.
최원영 교수는 “디지털 기술로 실제 만들 수 있는 구조만을 정확히 골라내고 실제 합성 실험까지 성공했다”며 “자동화 합성 기술을 결합하면 ZIF 신소재 개발 속도를 높이고, 원하는 물성을 갖춘 고성능 소재 개발에도 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 잭스에이유(JACS Au) 3월 24일자 표지논문으로 실렸다. 해당 연구는 과학기술정보통신부와 정보통신기획평가원(IITP), 한국연구재단(NRF), 한국과학기술연구원(KIST), UNIST 탄소중립융합원연구사업의 지원을 받았다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com