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김지한 교수, 컴퓨터 설계 기반 다공성 복합재료 합성
〈 김지한 교수 연구팀 〉
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수와 UNIST 화학과 문회리 교수 공동연구팀이 컴퓨터 설계를 기반으로 한 이론적 디자인을 통해 새로운 다공성 복합재료를 합성하는 데 성공했다.
이러한 복합물질은 각각의 특성을 동시에 가지면서 융합된 새로운 성질을 나타낼 수 있어 촉매, 기체 저장 및 분리, 센서, 약물 전달 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
권오민 박사과정과 UNIST 김진영 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’ 8월 9일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Computer-aided discovery of connected metal-organic frameworks)
이번 연구에 사용한 금속 유기 구조체(Metal-Organic Framework, MOF)는 다양한 금속 이온 집합체와 유기 리간드로 구성된 화합물의 일종으로 나노 수준의 기공을 갖는 결정성 물질이다.
금속 유기 구조체는 각 구성요소의 다양성 덕분에 지난 20년간 8만여 개 이상의 구조들이 실험으로 합성됐다. 금속 유기 구조체는 표면적이 매우 넓고 기공의 물리-화학적 특성을 세밀하게 조절할 수 있어 기존의 제올라이트를 대체할 수 있는 차세대 다공성 물질이기도 하다.
최근 금속 유기 구조체를 다른 소재와 혼합해 기능을 다양화하거나, 한가지 물질의 단점을 다른 물질의 장점으로 보완함으로써 성능을 최적화하는 연구가 진행되고 있다.
그러나 기존의 합성된 금속 유기 구조체 복합재료들은 두 물질의 경계면에서 서로 어떻게 결합하는지에 대한 정확한 정보가 없고 그 형태가 무질서해 어떻게 만들어지는지에 대한 이해가 부족했다.
8만여 개의 금속 유기 구조체 중 표면에서 서로 결합할 수 있는 조합을 일일이 눈으로 찾아내는 것은 매우 시간이 오래 걸리기 때문에, 화학자의 직관만으로 새로운 이종 금속 유기 구조체 간 단결정 복합재료를 합성하기 위해서는 수많은 시행착오를 겪어야 했다.
따라서 8만여 개 이상의 금속 유기 구조체를 사용해 복합물질을 형성할 수 있는 경우의 수가 상당히 많음에도 불구하고 지금까지 합성된 복합재료의 수는 극히 일부로 제한됐다.
문제해결을 위해 공동연구팀은 미시적인 분자구조 정보를 활용해 먼저 합성 가능성이 큰 구조들을 선별한 뒤, 이를 실험적으로 합성함으로써 실제 새로운 복합물질을 개발하고 합성하는 시간을 획기적으로 단축했다.
김지한 교수가 이끈 시뮬레이션팀은 직접 개발한 컴퓨터 알고리즘을 활용해 기존에 발표된 8만여 개의 데이터로부터 특정 구조체의 결정면과 상호 연결될 수 있는 결정면을 가진 다양한 금속 유기 구조체 쌍들을 얻는 데 성공했다.
또한, 양자역학 시뮬레이션을 통해 두 금속 유기 구조체가 연결된 경계면이 가질 수 있는 안정적인 구조를 예측해냈다.
문회리 교수의 연구팀은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 6종류의 새로운 금속 유기 구조체 복합재료를 성공적으로 합성함으로써 시뮬레이션으로 예측된 내용이 실험적으로 합성될 수 있음을 증명했다.
또한, 금속 유기 구조체 결정면 위에 다른 구조체가 하나의 구조로 자라나는 원리를 규명했고, 두 물질의 기공이 서로 연결돼 내부까지 분자가 자유롭게 이동할 수 있음을 확인했다.
이번 연구에서 성공한 서로 다른 두 금속 유기 구조체 간 경계면을 분자 수준에서 깨끗하게 하나의 구조로 연결하는 다공성 복합재료는 지금껏 없던 새로운 개념의 물질이다.
문회리 교수는 "실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 협력 연구를 통해 그간 합성이 어려웠던 다기능 다공성 복합재료를 설계하고 합성할 수 있음을 보여줬다. 기존 신약개발에서 활용되던 연구 방식이 거대시스템인 다공성 재료에까지 확대된 성공적 사례이다”라고 말했다.
김지한 교수는“세계 최초로 나노 다공성 복합물질을 이론적으로 디자인해 합성까지 성공한 첫 사례라는 사실에 의미가 있다”라며 “새로운 복합재료 개발을 위해 필요한 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있고, 적용 분야를 MOF-나노입자, MOF-제올라이트, MOF-고분자 복합재료로 쉽게 확장할 수 있다”라고 말했다.
이 연구 결과는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 합성에 성공한 MOF 구조
2019.08.26 조회수 17902 -
KAIST 아프리카 봉사단 ‘월드프렌즈 ICT봉사단 상' 수상
KAIST 아프리카 봉사단은 12월 5일, 한국정보화진흥원(NIA)이 개최한 ‘2017 월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회’ 에서 모든 부분의 상을 휩쓸었다.
한국정보화진흥원은 지난 2011년부터 세계 여러 개도국에 ICT 봉사단을 파견해 왔으며, 2015년부터 KAIST 글로벌리더십센터와 함께 아프리카에서 ICT 교육 봉사프로그램을 진행해왔다.
월드프렌즈 ICT 봉사단 성과보고대회는 매년 개도국에서 활동하고 온 봉사단원들이 서로의 경험을 공유하고 글로벌 역량을 배양하는 소통과 협력의 장으로 운영되고 있다. 이번 성과보고대회에는 21개국에 파견되었던 446명의 봉사단원을 대상으로 진행하였으며, 우수활동팀/활동수기/UCC 부문 공모전 시상식도 함께 진행되었다.
KAIST 아프리카 봉사단은 이번 성과보고대회에서 탄자니아로 봉사활동을 떠난 HILMI팀(정은석, 강성주, 이태영, 윤승현)이 우수활동팀 대상으로 선정되어 과학기술정보통신부장관상과 부상을 수여 받았다. 또한 에티오피아에서 봉사활동을 한 APPrica팀 (김진영, 김대영, 민종관, 전문휘), WITH팀(손수연, 김한나, 남경욱, 명재민 )도 각각 우수상에 선정되어 한국정보화진흥워장상 및 부상을 수여 받았다. 이외에도 활동수기 공모전에서 HILMI팀의 이태영 학생이 대상을 수상하였으며, UCC 부문 공모전에서 HILMI팀이 최우수상, Ethitogether팀의 석창훈 학생이 우수상을 수상하였다.
특히 이날 탄자니아 봉사활동팀인 HILMI는 우수활동팀 대상, UCC 공모전 최우수상, 활동수기 공모전 대상을 수상하여 3관왕을 달성하는 영예를 안았다.
KAIST 월드프렌즈 ICT 봉사단은 총 32명의 학생으로 구성되어 지난 7월 6일부터 8월 5일 한 달 동안 에티오피아 ‘아디스아바바 과학기술원(AAiT)’과 ‘아마다 과학기술대학교(ASTU)’에서 안드로이드 Application 개발, 포토샵, MS Office 등 기초 IT 교육과 K-POP, 한국어 교육, 난타 공연 등 한국문화 교육을 제공했으며, 탄자니아 ‘넬슨 만델라 공과대학(NM-AIST)’과 ‘스타 고등학교’아두이노 프로젝트, ICT 교육 및 사이언스 페어 준비 등 봉사 활동을 진행하였다.
2017.12.08 조회수 20016