나노 단위로 제어 가능한 새로운 고체물질이 개발됐다. 정밀한 기계적 움직임이 필요한 디지털 데이터 스토리지 등 특정 분야의 새로운 전망을 제시할 것으로 기대된다.

유니스트(UNIST·울산과학기술원) 화학과 최원영 교수팀과 민승규 교수팀은 기계처럼 작동하는 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, MOF)를 개발했다고 27일 밝혔다. 분자 수준의 기계 부품 교체를 통해 나노 단위로 기계의 움직임 또한 정밀하게 조절할 수 있음을 밝혔다.

일상생활과 다양한 산업의 필요성에 의해 기계는 지속 발전해왔다. 분자 규모의 장치 설계를 통해 기계적 움직임 등 그 특성이 향상됐지만, 고체 상태의 분자 구조를 이루는 기계를 제어하는 것은 여전히 도전 과제로 남아있다.

연구팀은 각각의 네모난 블록이 연결고리로 이어진 모양의 기계 링크 구조 골격체를 만들기 위해 적절한 금속 노드와 유기 리간드를 선정했다. 개발된 금속-유기 골격체 제올라이트 모방 다공성 고체(Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)는 이루는 구성성분의 특성에 따라 다양한 구조로 조립될 수 있다. 전파나 빛과 같은 파장인 X선의 회절현상을 측정해 개발된 골격체가 기계처럼 움직인다는 것도 확인했다. 골격체는 온도 변화와 용매 분자에 반응하며 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 특징을 보였다. 또한, 기계를 연결시키는 부품을 교체함으로써 나노 단위의 정밀한 움직임까지 제어 가능함을 확인했다. 아연 금속 노드와 이미다졸 유기 리간드로 제작한 골격체는 같은 금속-유기 골격체 중 가장 뛰어난 탄성과 유연성을 나타냈다.

연구팀은 이런 특별한 기계적 특성은 제작된 제올라이트 모방 다공성 고체(ZIF)의 기계 링크 구조 때문이라고 분석했다. 같은 소재를 사용하더라도 연결되는 방법에 따라 골격체의 유연성이 달라진다는 것이다. 이런 특성은 다양한 형태로 부품을 조립해 원하는 움직임을 구현하는 기계에서 나타나는 특징으로, 나노 신소재 개발 분야에서 다양하게 활용될 것으로 보인다.

제1저자 남주한 연구원은 “이번 연구를 통해 분자 수준에서 제어 가능한 다공성 고체 기계 설계의 새로운 가능성을 발견했다”며 “ZIF의 움직임을 이해하고, 나노 수준의 메커니즘 제어가 필수적인 다양한 분야에서의 잠재적인 응용 가능성을 제시했다”고 전했다.

최원영 화학과 교수는 “분자 수준에서 기계 작동과 같은 움직임을 구현한 것은 독특한 기계적 특성을 갖춘 신소재를 발견한 것이다”며 “다양한 분자 기계 부품의 탐색과 기계 링크 구조의 작동 원리에 대한 연구는 앞으로 디지털 데이터 스토리지와 같은 특정 응용 분야에 새로운 길을 열 것”이라고 기대했다.

연구 결과는 화학 분야 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)에 주목받는 논문으로 선정돼 6월 14일 온라인 게재됐다.

연구에는 최원영 교수팀의 남주한, 진은지, 이수찬, 조혜진 연구원이 참여했고 민승규 교수팀의 김석진 연구원이 공동 참여했다.