호주 모나쉬 대학(Monash University) 기계공학과 소속의 Mainak Majumder 박사와 Phillip Sheath, 호주 국립과학산업연구원(CSIRO; Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization) 소속의 Matthew Hill 박사 등으로 구성된 연구팀은 수중에서 환경 독소(environmental toxin)를 제거하는 새로운 종류의 나노재료의 가능성을 입증했다.

 

연구팀은 수중에서 물질을 안전하게 제거할 수 있으며, 많은 기공을 지니는 독특한 물질인 금속-유기 골격 구조(MOFs; Metal Organic Frameworks)를 개발했다. 이 연구는 “가능한 합성을 통하여 제작된 다공성 MOFs의 수용성 분자체와 강력한 기체 흡착 응용(Aqueous Molecular Sieving and Strong Gas Adsorption in Highly Porous MOFs with a Facile Synthesis)”이라는 제목의 논문으로 발표됐다.

 

MOFs는 이산화탄소와 같은 기체를 저장 또는 분리할 수 있는 이례적인 능력을 지닌 것으로 알려져 있는 유기 분자에 의해 연결된 금속 원자의 클러스터이다. 이 연구는 이러한 물질이 수용성 환경에서 자체적인 격리 응용을 실현할 수 있음을 최초로 증명했다.

 

Majumder 박사는 MOFs의 균일한 구조가 MOFs를 매우 효과적인 필터로 만든다고 밝혔다. 이것은 모두 정확하게 동일한 크기의 기공을 지니고 있는 색다른 결정 재료이다.

 

따라서 한 가지 물질이 기공 내에 들어맞아 포획되는 한편, 나노미터의 1/10 크기보다 더 큰 물질은 MOFs의 균일한 구조에 맞지 않는다고 Majumder 박사는 밝혔다.

 

이러한 재료의 구조로 인하여, 당신은 다른 물질과 혼합되어 있거나 낮은 농도로 존재하는 물질을 감지 및 검출할 수 있다고 연구진은 밝혔다.

 

연구진은 수용성 분자체(aqueous molecular sieving)가 페릴렌 테트라카복실레이트(PTC; perylene tetracarboxylate) 리간드를 근간으로 하는 등방 구조의 금속-유기 골격 구조(MOFs; metal organic frameworks)를 이루는 일련의 시리즈를 증명했다.

 

골격 구조는 실온에서 마그네슘, 니켈 및 다른 첫 번째 줄에 있는 전이금속 이온 등과 물에서 형성될 수 있다. 연구진이 개발한 MOF는 직경 6 A의 주기적인 채널이 있는 2000 m2 g?1 이상의 표면적을 지닐 것으로 예측되는 높은 다공성 위상을 지닌다.

 

특이하게, M-PTC MOFs는 수분에 상당히 내성을 가지고 있으며, 멀티그램 규모로 용이하게 합성될 수 있다. 골격 구조는 낮은 수용성 농도에서 유기 분자의 혼합물로부터 흡착에서 분자체의 특징을 나타내는 것이 확인됐다.

 

M-PTC MOFs는 유해한 수인성 제초제인 파라콰트(paraquat)에 대한 수용성 응용에 적용될 수 있다는 것이 논증됐다. 또 Ni-PTC는 질소에 흡수되는 이산화탄소에 대한 IAST(ideal adsorbed solution theory) 선택성이 300으로 강력하고 선택적인 기체 흡착 특성으로 이어지는 구조적인 유연성을 나타냈다.

 

또 다른 MOFs와 비교했을 때, 수소와 이산화탄소에 대한 결합 엔탈피는 매우 강력하여 각각 10.75 kJ/mol과 52.50 kJ/mol을 나타냈다.

 

연구진은 파킨슨 병(Parkinson`s Disease)의 시작과 관련이 있는 맹독성 제초제인 파라콰트를 제거함으로써 새로운 MOF의 제거 능력을 증명했다. 연구진이 새롭게 개발한 MOF는 파라콰트를 제거하는 매우 정밀한 필터로 작용했지만 다른 오염물질은 남겨 두었다.

 

따라서 연구진이 개발한 MOF가 다른 오염물질을 제거하기 위하여 변경이 필요할 것이라고 연구진은 밝혔다.

 

MOFs가 유연하기 때문에, 연구진은 MOFs가 파라콰트를 흡수할 때, MOFs의 구조가 변하는 것을 확인했다고 Hill 박사는 밝혔다. 이것은 연구진이 개발한 MOF가 수중에서 오염물질에 대하여 신속하고 용이하게 테스트할 수 있는 장치의 기본을 형성할 수 있다는 것을 의미한다고 Hill 박사는 덧붙였다.

 

새로운 종류의 MOF가 나타내는 매우 정밀한 제거 특성 덕분에, 이러한 테스트 응용은 현장에서 매우 정확한 오염물질에 대한 판독을 제공할 수 있다고 연구진은 밝혔다.