[로이슈 전여송 기자] KAIST는 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 다공성 물질 내부에서 기체를 규칙적으로 배열하고, 원하는 기체 배열에 맞는 소재 구조를 인공지능(AI)으로 설계하는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

이번 연구는 기체의 흡착량을 중심으로 이뤄졌던 기존 다공성 소재 연구에서 나아가 기체 분자가 소재 내부에서 자리 잡는 위치와 배열을 조절하는 방법을 다룬다. 연구팀은 금속과 유기물이 결합해 내부에 미세한 구멍을 형성하는 금속-유기 골격체(MOF)를 활용했다.

연구팀은 다수의 MOF 구조를 탐색해 특정 코발트 기반 다공성 물질인 ‘Co-CAU-36’ 내부에서 단일 원소 기체인 제논(Xe)이 규칙적으로 배열되는 현상을 확인했다.

컴퓨터 시뮬레이션인 GCMC 분석 결과, 제논 원자들은 기공 내부에서 무작위로 분포하지 않고 체심 입방 격자(BCC) 형태로 정렬됐다. 연구팀은 MOF의 미세 기공이 틀 역할을 하면서 제논 원자가 자리 잡을 위치를 유도한 것으로 분석했다.

제논과 크립톤(Kr)을 혼합한 실험에서는 두 기체가 서로 다른 공간에 배열되는 현상도 확인했다. 제논이 먼저 껍질 형태의 격자를 형성하고 크립톤은 중심부에 자리 잡는 방식이다. 연구팀은 이를 통해 소재에 대한 기체의 흡착 정도뿐 아니라 기체 배열을 이용한 혼합기체 분리 가능성을 확인했다.

연구팀은 기계학습과 유전 알고리즘을 결합한 역설계 방식도 적용했다. 원하는 기체 배열을 먼저 설정한 뒤 이에 적합한 다공성 구조를 AI가 탐색하도록 하는 방식이다.

그 결과 체심 입방 격자뿐 아니라 면심 입방 격자(FCC) 형태로 기체를 배열할 수 있는 새로운 다공성 구조를 설계했다. 연구팀은 향후 이산화탄소와 수소 등으로 적용 대상을 확대하면 기체 포집·분리와 저장을 위한 소재 설계에 활용할 수 있을 것으로 보고 있다. 분자의 위치와 배열이 화학반응에 영향을 미치는 촉매 분야로의 적용 가능성도 제시했다.

이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 김영훈·김도훈 박사과정이 공동 제1저자로, 김승우 석사과정과 임윤성 박사가 제2저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 6월 23일 온라인 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 이종소재지원사업과 한국연구재단 탑-티어 연구기관 간 협력 플랫폼 구축 및 공동연구 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

김지한 KAIST 생명화학공학과 교수는 “이번 연구는 기체를 다공성 물질 안에서 결정처럼 줄 세운 첫 사례”라며 “기체를 얼마나 많이 담을지만 고민하던 데서 나아가, 원하는 배열까지 설계할 수 있는 새로운 가능성을 열었다”고 말했다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr