KAIST, 분자 스펀지 속 기체 규칙 배열 구현

KAIST 김지한 생명화학공학과 교수팀이 미세한 구멍을 지닌 다공성 물질 내부에서 기체 분자들이 규칙적인 구조를 이루는 ‘가스 격자’ 현상을 세계 최초로 구현했다. 자유롭게 움직이는 기체를 고체 결정처럼 일정한 배열로 정렬한 성과로, 필요한 기체를 더욱 정교하게 포집하거나 효율적으로 저장할 수 있는 맞춤형 소재 개발 가능성을 제시했다.

연구팀은 기체를 내부에 담거나 특정 성분을 선택적으로 가려낼 수 있는 금속 유기 골격체(MOF)를 실험에 활용했다. 코발트 기반의 다공성 물질인 분자 스펀지에 제논(Xe)을 주입한 결과, 제논 분자들이 일정한 입방 격자 형태로 정렬됐다. 제논과 크립톤(Kr)을 동시에 넣은 실험에서는 두 기체가 각각 중심부와 바깥 껍질 영역으로 나뉘는 새로운 분리 현상도 확인됐다.

금속 유기 골격체는 미세 구멍 안에 기체를 수용하거나 종류에 따라 선별할 수 있는 구조를 갖는다. 연구팀은 이 공간적 특성을 이용해 기체 분자의 배열을 제어하는 데서 나아가, 인공지능 기계학습으로 목표 배열에 적합한 다공성 구조를 거꾸로 설계하는 역설계에도 성공했다. 원하는 기체 배치 조건을 먼저 정하고 이에 맞는 소재 구조를 찾는 방식이다.

가스 격자 구현과 인공지능 기반 역설계 기술은 용도에 맞춰 기체의 포집·저장 특성을 조절하는 소재 연구로 이어질 수 있다. 연구팀은 이산화탄소를 보다 정교하게 포집하고 수소를 효율적으로 저장하는 소재 개발에 이번 기술을 활용할 수 있을 것으로 보고 있다. 제논과 크립톤 혼합 실험에서 드러난 분리 현상까지 포함한 연구 결과는 최근 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.