현재 직면한 에너지와 환경문제를 극복하기 위해서는 온실가스인 이산화탄소, 고용량 에너지 전달체인 메탄, 수소 분자 등을 고용량으로 저장하는 새로운 기공구조 개발이 필요하다.

이에 기체 분자들의 흡착 거동을 실시간 분석해 새로운 소재를 개발하는 방식이 주목받고 있다. 기존 기술로는 소재 내에서 흡착된 기체 분자의 양만 파악할 수 있어 흡착 거동을 직접 관찰할 수 없었고, 소재를 구성하는 기공별 가스의 흡착 거동을 분석할 수 없었다. 

연구팀은 구조적 정보를 얻을 수 있는 X-선 회절(X-ray diffraction) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합한 실시간 기체흡착 X-선 회절 시스템으로 이 문제를 해결했다.

이 시스템은 넓은 비표면적을 갖고 있어 이산화탄소, 수소, 메탄 등의 저장에 용이한 신규 소재인 금속유기골격체의 흡착과정을 실시간 관찰할 수 있다. 특히 단일기공구조가 아닌 여러 기공이 존재하는 금속유기골격체의 흡착 거동을 분석할 수 있다. 

연구팀은 금속유기골격체 분자들의 흡착 거동을 기공별로 분리해 기존에 분석할 수 없었던 분자들의 순차적 흡착과정을 확인했다. 나아가 기공 구조와 흡착 분자의 종류가 흡착 거동에 어떤 영향을 미치는지 체계적·정량적으로 분석해 각각의 흡착에 어떤 구조의 금속 유기골격체가 저장 소재로 적합한지에 대한 방안도 제시했다.

강 교수는 "각 기공 분자의 실시간 흡착 거동을 정량적으로 분석해 기공의 화학적 성질과 구조적 특성이 흡착 거동에 미치는 영향을 밝혔다"며 "분자의 실시간 흡착 거동을 물질 전체가 아닌 물질을 구성하는 세부 기공 수준에서 이해함으로써 새 고용량 저장 물질을 세밀하게 개발하는 데 활용할 예정"이라고 말했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다. 조해성 박사가 주도한 이번 연구는 '네이처 케미스트리(Nature Chemistry)'에 지난달 13일 자 온라인판에 게재됐다.