킹 압둘라 과학 기술 대학(King Abdullah University of Science and Technology)의 연구원들이 새로운 MOF 설계 방법을 개발합니다. 수백 년 된 아치형 석조 창 건설 기술은 가스 분리 및 의료 분야에 잠재적으로 응용할 수 있는 다공성 기능성 재료인 금속 유기 프레임워크(MOF)에 맞춤형 나노 크기 창을 형성하는 새로운 방법에 영감을 주었습니다. 건축 아치 "중심 템플릿"의 분자 버전은 미리 결정된 모양과 크기의 구멍이 있는 MOF의 형성을 안내하는 데 사용됩니다.
이 접근 방식을 사용하여 설계 및 제작된 새로운 MOF는 가스 분리 가능성이 있는 좁은 다공성 물질부터 우수한 산소 흡착 능력으로 인해 의료 응용 분야에 잠재력이 있는 거대 다공성 구조까지 다양합니다.
이번 연구를 이끈 Mohamed Eddaoudi 그룹의 박사후 연구원인 Aleksandr Sapianik은 "새로운 구조물 설계에서 가장 어려운 목표 중 하나는 구조물의 형성을 정밀하게 제어하는 것입니다."라고 말했습니다. "네트워크 화학(분자 빌딩 블록을 MOF와 같은 다공성 결정 물질로 조립)의 경우 연구팀은 센터링 템플릿 개념이 정밀한 제어를 제공할 수 있다는 것을 깨달았습니다."
연구의 출발점은 일반적으로 초사면체(ST)라는 빌딩 블록으로 둘러싸인 오각형 창을 갖는 제올라이트 유사 MOF(ZMOF)입니다. "우리의 목표는 이 잘 알려진 토폴로지에서 이러한 빌딩 블록을 사용하기 전에는 보고된 적이 없는 토폴로지까지 ST 배열을 제어하는 것입니다"라고 Sapianik은 말했습니다.
연구팀은 ST 정렬을 제어하고 새로운 모양과 크기의 ZMOF 창을 형성하기 위해 중앙 구조 유도제(cSDA)를 개발했습니다. 한 세트의 cSDA는 인접한 ST 셀 사이의 각도를 조여 작은 창을 형성하도록 설계되었습니다. 또 다른 cSDA 세트는 ST 장치 사이의 각도를 넓혀 더 큰 창을 형성하는 것을 목표로 합니다.
Eddaoudi 팀의 박사후 연구원인 Marina Barsukova는 "MOF 기공 크기와 부피는 응용 분야에 영향을 미치는 중요한 매개변수입니다. 팀이 설계한 대형 창 ZMOF(Fe-sod-ZMOF-320)는 알려진 MOF 중에서 가장 높은 산소 흡착 용량을 보여줍니다. 이 특성은 의료 및 항공 우주에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. 높은 용량은 산소 병에 저장된 산소의 양을 늘리거나 산소 병을 더 작고 쉽게 운반할 수 있기 때문에 산업에서 중요합니다. 동일한 ZMOF는 또한 잠재적인 연료인 메탄과 수소를 저장하는 데에도 탁월합니다. 좁은 창을 가진 시리즈의 다른 ZMOF도 분자 혼합물의 가스 분리에 잠재력을 보여주었습니다.
Eddaoudi 그룹의 연구 과학자인 Vincent Guillerm은 cSDA 개념이 MOF의 성능을 향상시킬 수 있는 몇 가지 장점을 제공한다고 말했습니다. 그는 "cSDA는 큰 창을 작은 창으로 분리하며 우리의 예비 결과는 이것이 화학적 분리에 도움이 될 것이라는 것을 보여줍니다. 또한 추가 내부 기공 표면을 제공하여 가스 저장을 개선하고 MOF 프레임워크를 강화하여 재료의 안정성을 향상시킵니다. 우리가 개발한 중앙 집중식 접근 방식은 네트워크 화학에 대한 또 다른 강력한 전략으로, 에너지 보안 및 환경 지속 가능성 분야에 적용하기 위해 MOF의 주문형 제조에 대한 큰 잠재력을 제공합니다."