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2011년 Science지 발표 논문 ‘세계 10대 과학성과(Breakthrough of the Year 2011)’중 하나로 선정
2012-01-16 12344
KAIST 기능성 나노물질 연구단(Center for Functional Nanomaterials) 단장 유룡 KAIST 특훈 교수 연구팀이 지난 2011년 7월에 Science지에 발표한 ‘나노형상 제올라이트의 설계’에 관한 연구(논문명: Directing Zeolite Structures into Hierarchically Nanoporous Architectures)가 2011년 Science지가 발표한 ‘세계 10대 과학성과(Breakthrough of the Year 2011)’중 하나로 선정되었다.

Science지는 지난 2011년 한 해 동안 있었던 우수한 과학성과들을 정리하면서, 세계 과학계에 가장 큰 영향력을 발휘한 우수 연구 성과 10가지를 선정하여 발표하였고(http://www.sciencemag.org/site/special/btoy2011/) 
그 중에서 유룡 교수 연구팀이 주도한 ‘제올라이트 설계’에 관한 연구 결과를 10대 과학성과 중 하나로 선정하였다. 선정된 ‘제올라이트 설계’에 관한 연구 내용에는 총 4가지의 연구 결과가 소개되었는데, 그 중에서 본 연구단이 주도한 나노형상 제올라이트의 합리적 설계 및 합성 방법에 관한 연구 결과를 가장 먼저 소개하였다.
본 연구단이 창안한 나노형상 제올라이트의 설계는 제올라이트의 구조를 유도하는 구조유도분자의 합리적 설계로부터 시작된다. 제올라이트는 마이크로기공이라고 하는 0 ~ 2 nm 사이의 직경을 갖는 기공이 무수히 많이 뚫려져 있는 다공성 물질로서 석유화학 촉매 공정에서 값싼 중질유를 고부가가치의 가솔린 계열로 변환하는 촉매제나, 유기 반응 촉매제 또는 환경오염물질 제거 및 분리제 등으로 사용되고 있는 물질이다. 일반적으로 활용되고 있는 제올라이트들은 유기 아민 분자를 이용하여 합성하는데, 이 유기 아민 분자가 제올라이트 결정 내부에 있는 마이크로기공을 생성시키는 틀(Template)로서 작용하여 만들어진다. 그러나 이렇게 만들어진 제올라이트 결정들은 매우 작은 크기의 마이크로기공이 3개의 결정 축 방향으로 무한히 연결되어 있는 형태로 얻어지기 때문에, 분자확산적 측면에서 효율이 매우 떨어지는 구조이다. 지난 수 십 년간 세계의 유수의 과학자들은 이를 해결하기 위해서 제올라이트의 골격의 크기를 작고 얇게 만듦과 동시에 제올라이트의 마이크로기공 이외에도 이보다 큰 2 ~ 50 nm의 직경에 해당하는 메조기공을 동시에 갖는 나노형상의 제올라이트를 설계하고자 노력해왔다. 본 연구단은 앞서 언급한 제올라이트의 마이크로기공을 유도하는 유기 아민 분자를 비누 속에 무수히 존재하는 계면활성제 형태로 만들었고, 이를 활용하여 마이크로기공과 메조기공이 동시에 규칙성을 가지며 배열되어 있는 나노형상 제올라이트를 합성하는데 성공하였다. 기존의 일반 제올라이트의 합성에서는 작은 유기 아민 분자 전체가 제올라이트 내부의 마이크로기공 하나를 만들었지만, 본 연구단이 세계 최초로 개발한 합성 방법에서는 계면활성제 분자의 친수성 머리 부분에 붙어 있는 유기 아민 분자가 제올라이트 골격 내부의 마이크로기공을 만들고, 동시에 계면활성제의 자가조립을 통해서 형성된 마이셀이라고 하는 거대 분자 조립체는 마이크로기공보다 큰 메조기공을 유도한다. 이처럼 분자의 일부를 활용하여 제올라이트의 마이크로기공 구조를 유도하고, 이와 동시에 마이크로기공과 메조기공이 동시에 존재하는 나노형상의 제올라이트를 합성한 것은 전세계적으로 최초의 사례로서, 지금까지 제올라이트의 합성 역사상 가장 중요한 연구 성과로 인정받고 있다. 특히 이 합성 원리는 하나의 구조의 제올라이트에만 국한된 것이 아니라, 마이크로기공의 크기나, 메조기공의 크기 및 배열 구조를 바꿀 수 있고, 또한 제올라이트의 골격 두께를 수 nm 영역에서 체계적으로 조절할 수 있다는 점에서 진정으로 ‘제올라이트의 창의적 설계’를 가능하게 한 성과로 인정받고 있다.
 
특히, Science지에 따르면 2011년에 제올라이트의 구멍의 크기나 골격의 두께를 조절하여 다양한 나노형상의 제올라이트를 설계하는 새로운 창의적인 방법을 개발하였다는 것을 가장 많은 비중을 할애하여 설명을 하였는데, 앞서 소개한 것처럼 본 연구단이 발표한 연구 결과가 바로 이러한 나노형상의 제올라이트를 합성하는 창의적 방법에 관한 것이기 때문에, ‘제올라이트 설계’에 관한 우수 연구 성과 중 본 연구단이 발표한 연구 결과를 가장 높이 평가하고 있다고 해석할 수 있다.
기초과학硏 연구단장 10명 선정 2012-05-21
Breakthrough of the Year by Science, 2011 2012-01-12