메소포타미아 유리 장인이 (탄소 포집이 뭔지 안다면) 흡족하게 고개를 끄덕일 만한 움직임으로, 과학자들이 수천 년 동안 일반 유리에 사용된 화학적 비법을 금속-유기 골격체(MOF) 유리라는 우주 시대 재료에 적용했다. MOF 유리는 금속 원자와 유기 분자의 사랑의 결정체로, 다공성의 첨단 스펀지 같은 물질로 이산화탄소와 수소 같은 기체를 포집하거나 심지어 공기 중에서 물을 빨아들이는 데 탁월하다.
TU 도르트문트와 버밍엄 대학의 두뇌들이 참여한 국제 연구팀은 5월 4일 Nature Chemistry에 연구 결과를 발표했다. 그들은 고대 장인들이 유리 레시피를 조정했던 것과 유사하게, 나트륨이나 리튬을 포함한 미량의 화합물을 첨가함으로써 MOF 유리가 연화되는 온도를 낮추고 가열 시 더 쉽게 흐르도록 할 수 있다는 것을 발견했다. 이는 제조 과정의 악몽을 관리 가능한 백일몽으로 바꿀 수 있는 발견이다.
버밍엄 대학의 도미니크 쿠비츠키 박사는 우아하게 설명했다: "유리는 수천 년 동안 인류 문명의 일부였습니다. 고대 메소포타미아에서 현대 광섬유 케이블에 이르기까지, 소량의 화학적 개질제가 유리 가공을 용이하게 하고 기능적 특성을 변화시킵니다." MOF 유리의 문제점은? 300°C 이상의 고온에서만 연화되는데, 이는 분해되기 시작하는 온도에 불편할 정도로 가깝다는 점이다. 이번 발견은 용융 없이 미래의 고성능 재료를 위한 가능성을 열어준다.
주목할 만한 MOF 유리 중 하나인 ZIF-62는 용융 및 냉각 후에도 내부 기공을 유지하는 다공성의 경이로운 물질로, 분자용 스위스 치즈라고 생각하면 된다. TU 도르트문트의 제바스티안 헨케 교수는 그들의 접근 방식이 기존 규산염 유리의 개질에서 직접 영감을 받았다고 설명했다: "네트워크 구조를 교란하여 용융 거동과 기계적 특성을 조정하는 것입니다."
나트륨이 어떻게 작용하는지 알아내기 위해, 버밍엄 대학의 연구자들(도미니크 쿠비츠키 및 벤저민 갤런트 박사 주도)은 원자 수준 연구와 영국 고자장 고체 NMR 시설의 고온 고체 핵자기 공명(NMR) 분광법을 사용했다. 한편, 앤드루 모리스 교수와 마리오 옹키코 박사가 이끄는 또 다른 버밍엄 팀은 AI 기반 전산 모델링을 배치하여 복잡한 NMR 데이터를 해석했다. 기계 학습 지원 시뮬레이션은 나트륨이 단순히 재료의 빈 공간에 머무르는 것이 아니라 일부 아연 원자를 대체하여 유리 구조를 느슨하게 하고 특성을 변화시킨다는 것을 확인시켜 주었다.
이제 과학자들이 이러한 재료를 조정하는 방법을 알아냈으므로, 안정성 개선, 거동 예측, 실제 기술에서의 성능 테스트를 위한 추가 작업이 필요함을 인정한다. 하지만 지금으로서는 유리가 반쯤 차 있다 - CO2, 수소, 그리고 희망으로.
이 연구에는 TU 도르트문트, 버밍엄 대학, 보훔 루르 대학, SRM 대학-AP, 뮌헨 공과대학, 케임브리지 대학의 연구자들이 참여했다. 자료 제공: 버밍엄 대학. (내용은 스타일과 길이를 위해 편집되었을 수 있습니다. 과학도 다듬기가 필요하니까요.)