게스트 분자의 속도 조절은 오늘날 산업적으로 다양한 분야에서 필요로 한다. 분자들의 서로 다른 키네틱 속도를 활용하여 가스 상태 또는 액상 상태의 분자들을 분리 또는 흡방출을 가능하게 한다. 게스트 분자가 존재할 수 있는 공간의 크기 및 환경을 서로 다르게 조절할 수 있다면, 게스트 분자의 흡방출 속도 역시 서로 다르게 조성이 가능하다. 하지만 특정 분자들에 맞춰서 공간을 조성하거나, 특정 속도로 흡방출 또는 분리를 하기 힘들다는 단점이 존재한다.
본 연구에서는 게스트 분자의 키네틱을 조절해줄 수 있는 공간 설계를 열역학적 그리고 양자역학적인 측면으로 접근하여 설계하였으며, 두 영역에서 모두 게스트 분자의 키네틱을 조절할 수 있는 재료로서 금속 유기구조체를 선정하여 이를 기반으로 한 공간 디자인을 연구하였다.
첫 번째로는 열역학적 측면으로 공간 설계를 하였다. 유도 만능 줄기 세포는 분화 과정을 거쳐서 인체를 구성하는 다양한 세포로 전환이 가능한 세포로서, 퇴행성 및 희귀질환 치료를 위한 세포 치료제 개발 연구에 중요하게 쓰인다. 만능 줄기 세포의 분화는 생체 내의 복잡한 생체 정보뿐만 아니라 분화 및 성장에 필요한 영양소를 끊임없이 공급받으며 다양한 방법으로 안정적인 시스템이 유지가 된다. 하지만 생체 밖의 시스템에서는 이와 같은 항상성을 유지할 수 있는 환경의 부재로 인해 분화 유도 인자가 일정하게 공급되기 힘들어, 분화 효율과 안정성을 유지하기 힘들다. 이를 극복하기 위하여 실제 생체 내 환경을 모사하여 생체 밖의 시스템에서도 유사한 환경을 조성 만능 줄기 세포가 안정적이고 빠르게 분화하여 높은 분화 효율과 안정성을 유지할 수 있는 어플리케이션을 고안하였다. 분화 요소를 담지하여 서방출 할 수 있는 캐리어로서 금속유기구조체를 도입하였다. 금속유기구조체의 기공 크기가 다르면, 게스트 분자의 키네틱을 조절할 수 있으며, 이 점을 이용하여 게스트 분자의 방출 속도를 조절하였다. 또한 금속유기구조체가 게스트 분자의 캐리어로 사용됨으로써, 빛과 열에 약한 게스트 분자들일 경우 이에 의하여 분자의 이성질화가 발생하게 되는데, 이를 방지하는 캐리어로도 사용이 가능함을 확인하였다.
두 번째, 세 번째는 금속유기구조체의 미세한 기공 크기 조절을 통하여 기존의 열역학적 측면으로 분리가 어려운 동위원소 분리를 양자역학 측면에서 가능하게 하는 연구를 하였다. 수소의 동위원소인 중수소는 수소에 중성자가 하나 더 있는 동위원소이며 이는 미래의 에너지 원으로 꼽히는 핵융합 발전의 핵심 원료이자, 원자력 발전과 연구용 장비 등에 쓰이는 고부가가치의 물질이다. 기존에 중수소를 열역학적으로 분리해내려면 높은 에너지와 높은 비용이 드는 반면 선택도가 매우 낮았기 때문에 이 둘을 분리해내기에 적합한 방법이 아니었다. 또한 중수소를 얻으려면 중수 전기분해로 만들어진 수소동위원소 혼합물에서 중수소만 분리해야 하는데 동위원소는 물리적, 화학적으로 성질이 비슷하여 분리해내기 어려웠다. 따라서 이를 극복하기 위해서 양자역학적 측면으로 접근하여 동위원소를 분리하고자 하였으며 상대적으로 낮은 에너지를 요구함에도 불구하고 높은 선택도로 동위원소를 분리해낼 수 있다.
이를 위해서 금속유기구조체의 공간적 설계를 통해서 드 브로이 물질파와 기공의 크기의 차이에 의해 일어나게 되는 운동 양자체효과를 사용하였다. 이 전에 동위원소를 분리하기 위해서는 보통 77K 이하의 극저온에서만 효율적으로 분리가 가능했다. 또한 동위원소를 효율적으로 분리해낼 수 있지만, 온도나 압력에 따라서 기공의 입구나 기공의 크기가 변하는 금속유기구조체 (e.g. MIL-125, MIL-100)가 아닌 정형화된 형태의 기공을 갖는 금속유기구조체인 FMOFCu 와 Cobalt formate frameworks 를 사용하여 정확한 온도와 압력에서 높은 효율로 동위원소를 분리하고자 하였다.
FMOFCu 는 극저온에서는 기공이 닫힌 상태로 존재하다가 온도가 77K 이상으로 올라가면 기공이 점차적으로 열리게 되는 gate opening 효과를 지닌 국소적으로 유연한 금속유기구조체이다. FMOFCu 는 운동 양자체 효과와 gate opening 효과를 동시에 활용할 수 있는 재료로써, 77K 이하에서 운동 양자체 효과에 의해서 동위원소인 수소와 중수소를 분리해낼 수 있으며, 온도가 100K 이상에 도달하면 운동 양자체 효과와 함께 gate opening 효과에 의해서 한번 더 수소와 중수소를 분리해낼 수 있다. 이는 기존과 다르게 고온에서 열리는 기공의 크기를 정밀하게 조절해 중수소만을 통과하도록 설계해 운동 양자체 효과를 고온에서도 구현할 수 있도록 하였다.
Cobalt formate frameworks 의 경우, 동위원소인 수소와 중수소의 서로 다른 결합력과 금속유기구조체와 게스트 분자간의 흡착을 이용하였다. 총 세 단계의 흡착 과정을 통해 수소와 중수소를 분리해낼 수 있는데, 중수소를 Cobalt formate frameworks 에 흡착시켜 기공 내부에 작은 채널을 생성하였다. 생성된 내부 채널을 통해서는 수소는 통과하지 못하고 중수소만 통과시킬 수 있어 분리 선택도가 급격하게 높아졌다. 25K 극저온, 30 mbar 의 중수소를 Cobalt formate framework 에 주입하여 1 차적으로 중수소 흡착을 시키면, 이후 혼합 기체를 주입하더라도 중수소만 선택적으로 흡착할 수 있어서 기존의 극저온 증류법 대비 약 30 배 이상 높은 효율을 보였다.