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Achievements of Researchers

오문현 교수 연구팀

자발적인 구조 조정 프로세스를 수반하는 MOF 물질의 융합 현상 증명 오문현 교수 연구팀

화학과 오문현 교수와 이지현, 이수정, 오소진, 김두영 학생은 구성 성분이 다르고 격자길이가 다른 두 배위 고분자 물질(Metal-Organic Framework, 이하 MOF)을 융합하여 코어-쉘(Core-Shell) 형태의 혼성(Hybrid) MOF를 합성하는 데 성공했다. 본 연구결과는 화학 분야 국제 최상위 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of American Chemical Society)’에 게재됐다.


MOF는 다양한 금속이온과 유기분자들이 셀프-어셈블리(Self-Assembly) 과정을 통해 규칙적인 배열의 1D, 2D 혹은 3D 구조를 가지게 된다. 이때 생성되는 MOF는 사용된 금속이온과 유기분자의 종류에 따라 다양한 물리적∙화학적 성질을 가진다. 최근에는 두 종류 이상의 MOF의 장점을 동시에 지니기에 더욱 유용한 성질을 가지는 혼성 MOF 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.


혼성 MOF 종류 중 하나인 코어-쉘 형태의 MOF는 쉘 MOF의 존재로 인해 코어 MOF의 장점이 향상되거나 코어 MOF의 단점을 쉘 MOF로 보강할 수도 있기에 다양한 합성법 연구가 진행되고 있다. 코어-쉘 MOF 형성 시 일반적으로 코어 MOF의 모든 면을 쉘 MOF가 감싸고 자라는 등방성장이 일반적이며 이때 코어 MOF와 쉘 MOF는 격자크기가 일치해야 효과적인 등방성장이 진행된다. 만약 코어 MOF와 쉘 MOF의 격자크기가 일치하지 않으면, 성장이 일어나지 않거나 특정 면에서만 성장이 진행되는 비등방성장이 일어나게 된다. 다양하게 존재하는 MOF들의 격자크기는 많은 경우 일치하지 않기 때문에 구조 차이를 극복하는 MOF성장은 관련 분야 발전을 위해 반드시 필요하다.


본 연구에서는 격자길이가 불일치하는 두 MOF를 사용하여 최종적으로 등방성장한 듯이 보이는 코어-쉘 혼성 MOF를 합성하고, 이 과정에서 발생하는 특이한 성장 메커니즘을 규명했다. 코어와 쉘 MOF로는 플렉서블(flexible)한 구조를 가지는 Fe-MIL-88B와 Fe-MIL-88C를 사용했으며, 이들의 플렉서블한 구조로 인해 격자길이 불일치에도 불구하고 쉘 MOF의 자발적인 구조조정을 통해 코어 MOF의 특정 면에서 비등방성장을 시작할 수 있었다. 쉘 MOF의 성장이 진행되는 동안 여러 시간대에서 샘플을 분석한 결과, 자발적 구조조정을 통해 격자길이를 유사하게 맞출 수 있는 적절한 위치인 팁(tip) 부분에서 성장을 시작하는 것을 확인할 수 있었으며, 어느 정도 시간이 지나면 자신이 선호하는 원래 격자길이로 자발적으로 돌아가는 것을 볼 수 있었다. 이러한 특이 MOF 성장과정은 Ga-MIL-88B를 사용해 성분분석을 통해 시각화하여 보여줌으로써 보다 확실하게 증명할 수 있었다.


이번 연구결과는 격자길이가 불일치하는 MOF인 경우에도 특이 비등방성장을 바탕으로 마치 등방성장을 통해 생성된 듯한 코어-쉘 혼성 MOF를 형성할 수 있음을 규명했다. 이때 쉘 MOF는 성장이 발생하는 동안 자발적인 구조 변화를 통해 격자가 불일치하는 코어 MOF 표면에서 효과적인 성장을 가능하게 했다. 이번 연구결과를 바탕으로 성질과 구조가 다른 다양한 MOF 융합이 가능해진 것으로 평가된다. 추후 MOF가 지닌 구조적 차이를 극복하여 다양하고 복잡한 혼성 MOF 합성이 가능해졌다는 매우 중요한 의미를 가진다.

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