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[사진. (왼쪽부터) 오문현 교수, 최고은 석사, 김은지 석사과정생, 오소진 박사, 이수정 박사]

 

화학과 오문현 교수 연구팀(최고은 석사, 김은지 석사과정생, 오소진 박사, 이수정 박사)이 서로 다른 구조의 금속-유기 골격체(metal-organic frameworks, MOFs)를 결합해 하이브리드 MOFs를 구현할 수 있는 MOF-on-MOF 성장 원리를 규명했다. 연구팀은 격자 불일치가 큰 MOFs 간에도 정밀한 구조 설계를 통해 이방성 MOF-on-MOF 성장을 유도할 수 있음을 실험적으로 입증했다. 연구 성과는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 저명한 국제 학술지 'ACS Nano'에 게재됐다.

 

MOFs는 금속 이온과 유기 리간드가 규칙적으로 배열돼 내부에 기공을 형성하는 다공성 물질로, 가스 저장 및 분리, 약물 전달, 촉매 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나 단일 MOFs만으로는 응용에 요구되는 모든 기능을 충족하기 어렵다는 한계가 있다. 이에 서로 다른 MOFs를 결합한 하이브리드 MOFs를 구현할 수 있는 MOF-on-MOF 전략의 중요성이 점차 강조되고 있다. 그럼에도 불구하고, 격자 불일치 정도가 큰 MOFs 간의 성장 메커니즘은 충분히 규명되지 않아 적용 가능한 조합이 제한적이라는 한계가 존재해왔다.

 

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 In-MIL-68B를 템플릿으로 하는 MOF-on-MOF 시스템을 구축하고, 격자 일치도가 MOF 간 계면 형성과 성장 방향을 어떻게 지배하는지 체계적으로 규명했다. 연구팀은 유기 리간드 길이 차이로 인해 In-MIL-68B와 서로 다른 격자 불일치 정도를 갖는 In-MIL-53C와 In-MIL-53D를 비교 대상으로 삼아, 격자 불일치 수준에 따라 전혀 다른 성장 경로가 선택됨을 입증했다.

 

In-MIL-53C의 경우, 결정 성장에 유리한 노출면으로 알려진 {110} 면을 따라 이방성 성장이 진행됐으며, 약 19.5%의 격자 불일치가 있음에도 불구하고 MOF-on-MOF 성장이 가능함을 확인했다. 
 

[그림. In-MIL-68B와 In-MIL-53D의 결정면에 따른 격자 일치율 및 성장 적합성 판단]

 

반면, In-MIL-53D는 {110} 면과 템플릿의 격자 불일치가 41.2%에 달해, 해당 면을 통한 MOF-on-MOF 성장이 억제됐다. 흥미롭게도 이 경우, 일반적으로는 노출되기 어려운 비선호 결정면인 {010} 면이 성장 계면으로 선택됐다. 이는 {010} 면이 템플릿과 단 1.0%의 격자 불일치를 보이기 때문으로, 구조적으로 불안정한 MOF 면이라도 충분한 격자 일치를 갖는다면 MOF-on-MOF 성장 계면으로 활용될 수 있음을 명확히 보여준다.

 

이번 연구는 격자 불일치가 큰 MOFs 간에도 정밀한 구조 설계를 통해 이방성 MOF-on-MOF 성장을 유도할 수 있음을 실험적으로 입증했다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 나아가 기존에는 배제되던 비선호 결정면을 설계 변수로 활용할 수 있는 새로운 방향을 제시함으로써, 고차원적이고 복합적인 MOFs 구조 설계 전략의 확장 가능성을 제시했다.

 

한편, 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 국방과학연구소의 미래도전국방기술 연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다.