[뉴스웍스=백진호 기자] 울산과학기술원(UNIST)은 최원영 화학과 교수팀이 금속-유기물 다공성 고체(MOFs)의 한 종류인 제올라이트 모방 다공성 고체(ZIFs)의 구조를 예측하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

ZIF는 화학 작용기를 통한 기공의 화학적 환경 조절과 제올라이트의 구조적 특성을 모두 잡을 수 있는 소재다.

제올라이트는 4면체(SiO4)의 기본 결합 형태가 연결돼 200만개가 넘는 결정구조를 지닌다. 그럼에도 지금까지 발견되거나 합성된 제올라이트는 250여 개에 불과하다. 학계에서는 새로운 구조의 제올라이트 합성에 대한 어려움을 제올라이트 수수께끼라 부르는데, 연구팀은 이것이 ZIF에서도 비슷하게 적용되는 데 주목해 연구를 진행했다.

연구팀은 200만가지 이상의 제올라이트 구조 중에서 ZIF로 구현 가능한 구조를 살폈다. 기존에 합성한 ZIF 구조를 심층 분석해 보편적인 공통점을 찾아냈다. 심층구조분석을 통해 찾아낸 세 인자를 구조 기술자로 정의하고, 200만개의 제올라이트 구조로부터 207개의 ZIF 구조로 변환하는 알고리즘을 제안했다.

최종적인 207개의 ZIF 후보군은 밀도범함수 이론(DFT)으로 물리·화학·재료과학에서 쓰이는 계산 양자역학적 모형 방법론이다. 원자, 분자, 응집 물질에서 다체 상태의 전자 구조를 다룬다.

연구팀은 해당 이론을 통해 가상의 결정구조와 안정화된 구조의 에너지를 계산했다. 이 ZIF 구조의 다공성에 주목해 미래 에너지 자원으로 촉망받는 고성능 수소 저장체로서의 사용 가능성도 확인했다.

제1 저자인 이수찬 연구원은 "ZIF라는 다공성 물질은 안정성이 높아 제올라이트를 대체할 것으로 예상됐지만, 새롭고 다양한 종류의 ZIF를 합성이 어렵다는 사실을 학계에서도 인정하고 실험자 입장에서도 느끼고 있었다"며 "이 같은 문제점을 계산화학의 도움을 받아 해결하기 위해 연구를 진행했다"고 밝혔다.

최원영 화학과 교수는 "이 연구는 합성화학자에게 기존의 시행착오 접근법에 기반한 합성전략을 넘어 다공성 물질 설계에 청사진을 제공할 것"이라며 "새로운 다공성 소재의 발견 시기를 빠르게 앞당길 것으로 전망된다"고 말했다.

연구 결과는 나노화학 및 재료 분야의 권위지인 '스몰'에 올해 2월 9일 자 온라인으로 게재됐다.