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0.1초 만에 유기물 다공성 물질 만든다

백종범 UNIST 교수팀, 고체 상태 반응법 제시
"친환경적 고순도 물질 합성"···'네이처 커뮤니케이션'에 게재
HEA 유기물 단결정이 순식간에 3차원 다공성 유기물 구조체로 변하는 과정. <자료=UNIST 제공>HEA 유기물 단결정이 순식간에 3차원 다공성 유기물 구조체로 변하는 과정. <자료=UNIST 제공>

국내 연구진이 0.1초 만에 유기물 다공성 물질을 만드는 원리를 밝혀냈다. 

UNIST(총장 정무영)는 백종범 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀이 고체 상태 유기물 결정에 열을 가할 때 폭발하며 3차원 다공성 유기물 구조체가 만들어짐을 알아냈다고 20일 밝혔다. 

3차원 다공성 물질은 표면적이 넓어 촉매의 지지체나 기체 저장 분야에서 많이 사용된다. 대표적인 다공성 물질은 무기물인 '제올라이트'지만 최근에 내구성이 더 좋은 유기물로 다공성 물질을 만들려는 연구가 활발하다. 

주로 기체나 액체 상태에서 화학반응을 유도해 3차원 다공성 유기물 구조체를 만드는데 이 경우 후처리가 필요하거나 반응결과물의 순도가 높지 않다. 

이에 연구팀은 고체 상태의 유기물을 가열하는 간단한 공정으로 3차원 다공성 유기물 구조체를 합성했다. 일반적으로 고체 상태의 유기물에 열을 가하면 쉽게 녹아버리지만 연구팀이 만든 '유기물 단결정(HEA)'은 열을 주면 폭발적인 화학반응을 일으켜 순식간에 3차원 다공성 물질로 변한다. 

이번 연구에 사용된 HEA는 아세칠틸렌기가 6개 붙어 있고 결정구조 안에 물과 아세톤 분자가 일정량 규칙적으로 포함돼 있다. 연구팀이 HEA 단결정에 열을 가하자 짧은 시간에 폭발적인 반응이 일어나며 3차원 다공성 유기물 구조체로 변했다. 이때 HEA 단결정은 마치 총알이 발사되는 과정과 유사한 경로를 거쳐 변하게 된다는 것이 연구팀의 설명이다. 

HEA 단결정의 기본구조는 9개 HEA 분자와 1개의 물 분자, 2개의 아세톤 분자로 이뤄진다. 이 중 물과 아세톤의 끓는점이 낮기 때문에 폭발적인 반응이 일어난다. 

물은 100℃에서 아세톤은 56℃에서 끓기 때문에 열을 가하면, 두 분자의 운동 에너지가 커진다. 이에 따라 유기물 단결정이 녹기 전에 물과 아세톤이 외부로 방출되고(뇌관 폭발), 전체 결정의 재배열이 일어나면서 폭발적인 반응(장약 폭발)이 진행된다. 

배서윤 박사는 "HEA 단결정 구조가 깨지면서 6개의 아세틸렌기가 충분히 가까워지면서 0.1초 이내에 종료되는 폭발적인 반응이 일어난다"며 "이 반응으로 합성된 3차원 다공성 유기물 구조체는 표면적이 넓어 이산화탄소 흡착제로 탁월한 성능을 보인다"고 말했다.

백종범 교수는 "이번 연구는 유기물 재료를 합성하는 새로운 방법을 제시할 뿐 아니라, 합성된 재료를 광범위하게 응용할 수 있는 가능성을 제시한다"며 "고체 상태 반응을 이용한 새로운 재료 합성법은 학술적 가치가 높을 뿐 아니라 잠재적 응용가치도 커서 많은 분야에서 곧바로 주목 받을 것"이라고 밝혔다. 

이번 연구성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)' 지난 17일자에 실렸다.  
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