포스텍 환경공학부·화학공학과 홍석봉 교수<사진>·신지호 박사·박사과정 안락호씨 연구팀은 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)으로 구성된 NAT 구조*1의 제올라이트를 처음으로 합성, 제올라이트의 골격 속 원소들의 동역학적 움직임을 발견했다.

특히 연구팀은 합성에 성공한 후 이를 제올라이트의 또 다른 골격 원소로 알려진 갈륨(Ga)을 포함한 화합물과 반응시켜 투과전자현미경과 고체 NMR 분석법을 통해 제올라이트 속 갈륨원자의 분포 변화를 정밀히 관찰했다. 그 결과, 결정화 초기에는 제올라이트 외부 표면에만 집중적으로 분포되어 있던 갈륨이 시간이 지나면서 차츰 제올라이트 결정 안으로 이동하고, 결국 결정 속에서 균일하게 분포되는 현상을 확인했다.

이를 통해 제올라이트 속 골격원소들이 제올라이트의 세공을 통해 점차 확산되는 것이 아니라 원소들 간의 자리 이동을 통해 열역학적으로 안정한 곳에 규칙적으로 위치하게 된다는 결과를 명확하게 얻을 수 있었다고 연구팀은 덧붙였다.

연구를 주도한 홍석봉 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 제올라이트 속 골격원소들의 위치와 분포 특성을 이해하는데 중요한 단서를 제공할 것”이라며 “또 원하는 용도에 따라 제올라이트의 물리화학적 특성을 인위적으로 조절해 기존 물질과는 전혀 다른 새로운 물성을 가지는 제올라이트를 개발하기 위한 선행연구로 그 의미가 매우 크다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업의 일환으로 포스코의 지원을 받아 수행됐으며, 세계적 화학 학술지인 ‘안게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 온라인판을 통해 발표돼 상위 5%의 중요도를 갖는 주요논문으로 평가받았다.

1. NAT 구조

내트로라이트는 1800년도 초에 천연제올라이트로서 그 존재가 처음으로 확인되었으며, 이후 갈륨(Ga)과 게르마늄(Ge)을 이용한 합성 내트로라이트가 학계에 보고되었다. 1930년대 초반에 X-선 회절법의 등장과 함께 폴링(Pauling)과 테일러(Taylor)에 의해 결정구조의 해석이 이루어졌음에도 불구하고, 지금까지도 이 물질은 독특한 물리화학적 특성과 매우 유연한 결정 구조로 인해 꾸준히 주목을 받고 있다. 이 제올라이트는 산소 원자 8개, 9개 고리로 구성된 작은 세공(Small pore) 제올라이트에 속하며, 대부분이 긴 바늘 모양의 결정으로 이루어져 있는 침상형 물질이다.