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변혜령 교수, 빠른 충전 가능한 리튬-산소전지 개발
〈 변 혜 령 교수 〉
우리 대학 화학과 변혜령 교수 연구팀과 EEWS 정유성 교수 연구팀이 높은 충전 속도에서도 약 80%의 전지 효율 성능(round-trip efficiency)을 갖는 리튬-산소 전지를 개발했다.
기존에 개발된 리튬-산소 전지는 충전 속도가 높아지면 전지 효율 성능이 급속히 저하되는 단점이 있었다. 이번 연구에서는 방전 생성물인 리튬과산화물의 형상 및 구조를 조절해 난제였던 충전 과전위를 낮추고 전지 효율 성능을 향상시킬 수 있음을 증명했다.
특히 값비싼 촉매를 사용하지 않고도 높은 성능을 가지는 리튬-산소 전지를 제작할 수 있어 차세대 전지의 실용화에 기여할 것으로 보인다.
이번 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2월 14일자 온라인 판에 게재됐다.
리튬-산소 전지는 리튬-이온 전지보다 3~5배 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 한 번 충전에 장거리 주행을 할 수 있는, 즉 장시간 사용이 요구되는 전기차 및 드론 등의 사용에 적합한 차세대 전지로 주목받고 있다.
하지만 방전 시 생성되는 리튬과산화물이 충전 시 쉽게 분해되지 않기 때문에 과전위가 상승하고 전지의 사이클 성능이 낮은 문제점을 갖고 있다. 리튬과산화물의 낮은 이온 전도성과 전기 전도성이 전기화학적 분해를 느리게 만드는 것이다.
리튬과산화물의 전도성을 향상시키고 리튬-산소 전지의 성능을 높이기 위해 연구팀은 메조 다공성 탄소물질인 CMK-3를 전극으로 사용해 일차원 나노구조체를 갖는 비결정질 리튬과산화물을 생성하는 데 성공했다.
전극을 따라 생성되는 비표면적이 큰 비결정질의 리튬과산화물은 충전 시 빠르게 분해돼 과전위의 상승을 막고 충전 속도를 향상시킬 수 있다. 이는 기존의 결정성을 갖는 벌크(bulk) 리튬과산화물과 달리 높은 전도성을 갖기 때문이다.
이번 결과는 촉매나 첨가제의 사용 없이도 리튬과산화물의 크기 및 구조를 제어해 리튬-산소 전지의 근본적 문제를 해결할 수 있는 방법을 제시했다는 의의를 갖는다.
변혜령 교수는 “리튬과산화물의 형상, 구조 및 크기를 제어해 전기화학 특성을 변화시킬 수 있음을 증명함으로써 리튬-산소 전지뿐만이 아닌 다른 차세대 전지의 공통된 난제를 해결할 수 있는 실마리를 찾았다”고 말했다.
이론 해석을 제공한 정유성 교수는 “이번 연구 결과로 기존에 절연체로 여겨진 리튬과산화물이 빠르게 분해될 수 있는 반응 원리를 이해할 수 있었다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 일본의 리츠메이칸(Ritsumeikan) 대학 가속기 센터와 공동연구로 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 리튬과산화물 도식 및 투과전자현미경 사진
그림2. 충전 속도 특성 비교
그림3. DFT 계산을 통한 (a) 결정질 및 (b) 비결정질 리튬과산화물의 충방전 에너지 다이어그램
2018.03.29 조회수 16894 -
장석복, 백무현 교수, 상온 감마-락탐 합성 성공해 사이언스 紙 게재
석유, 천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소로부터 의약품이나 화학소재의 원료가 되는 락탐을 합성할 수 있는 방법이 나왔다.
우리 대학 화학과 장석복 교수, 백무현 교수 공동 연구팀이 반응 효율이 높은 이리듐 촉매를 개발해 상온에서 감마-락탐을 합성하는데 성공했다.
이번 연구성과는 세계적 권위의 학술지 사이언스(Science) 3월 2일자 온라인 판에 게재됐다.
감마-락탐은 뇌전증 치료제(레비티라세탐)나 혈관형성 억제제(아자스파이렌)와 같이 복잡한 유기분자의 핵심 구성성분으로 의약품, 합성화학, 소재 등에 폭넓게 활용된다.
자연에 풍부한 탄화수소로부터 감마-락탐을 만들기 위해 많은 연구가 있었지만 탄화수소는 상온에서 반응성이 낮아 합성하는데 큰 어려움이 있었다.
탄화수소에서 감마-락탐을 합성하기 위해서는 탄소-수소 결합을 탄소-질소 결합으로 변환하는 질소화반응이 필요한데 이 과정에서 중간체인 카보닐나이트렌(carbonylnitrene)이 상온에서 너무 쉽게 부산물로 분해돼 합성이 불가능했기 때문이다.
연구팀은 최적화된 촉매를 계산화학으로 분석해 예측하고 실험에 돌입하는 방식으로 중간체 분해 문제를 해결할 수 있었다.
이론 연구팀은 밀도범 함수를 활용한 계산화학으로 어떤 촉매가 탄화수소에 효율적인 반응을 일으킬지 분석하고 시뮬레이션을 통해 완성도 높은 촉매를 개발했다.
이를 바탕으로 실험 연구팀이 중간체 분해 및 부산물 형성을 억제하는 이리듐 촉매를 개발하고 탄화수소에 적용해 감마-락탐 합성에 성공했다.
장석복 교수는 “이번 연구는 질소화 반응의 중간체 분해 문제를 해결함으로써 탄화수소로 감마-락탐을 합성하는 계기를 만들 수 있었다”며 “새로운 금속 촉매를 설계하고 합성해 성공적으로 적용시키는 모든 과정에 열정적으로 임해준 참여 학생들에게 깊이 감사한다”고 말했다.
또한 “이번에 개발한 촉매반응의 확장연구를 통해 학문적인 진보는 물론 합성된 물질의 생리활성 및 임상 연구를 통한 의약품과 신소재 개발 등 산업적인 면에서도 큰 기여할 수 있게 되기를 바란다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 연구진이 개발한 새로운 이리듐 촉매로 만든 질소화 반응 메커니즘
그림2. 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 예측한 반응 경로와 에너지 장벽
그림3. 본 연구에서 개발한 질소화 촉매반응의 메커니즘과 합성한 다양한 질소고리 화합물
2018.03.02 조회수 11672 -
장석복, 백무현 교수, 상온에서 아릴기의 선택적 도입 반응 개발
우리 대학 화학과 장석복 교수와 백무현 교수 공동연구팀이 이리듐 촉매를 활용해 상온에서도 분자 내 원하는 위치에 아릴기를 선택적으로 도입하는 반응을 개발하는 데 성공했다. 또한 계산화학으로 반응 원리를 밝혀내 기존의 반응과 다른 경로로 이루어진다는 사실을 증명했다.
탄화수소는 자연상태에 많이 존재하지만 일반적 조건에서는 반응성이 낮아 합성의 원료로 사용되기 어렵다. 반응을 촉진시키기 위해 금속촉매를 활용하는 등 다양한 연구가 이루어지고 있다.
특히 의, 약학이나 재료화학 분야에서 중요하게 활용되는 대다수의 화합물들이 분자 내에 아릴기를 포함하고 있기 때문에 효율적이고 위치선택적으로 아릴기를 도입할 수 있는 반응의 개발은 유기화학 분야의 지속적인 연구주제이다.
안정적인 탄소-수소 결합에 아릴기 도입 반응을 유도하기 위해서는 탄소-수소 결합에 할로젠 원자나 유기금속을 붙여 사전활성화하거나 이 과정 없이 탄소-수소 결합을 직접 활성화(C-H functionalization)하는 과정을 거친다.
직접 활성화하는 방법이 효율성과 경제성이 뛰어나지만 개발된 반응 대부분이 고온의 반응온도, 과량의 첨가물이 필요한 격렬한 반응 조건을 필요로 하고 탄소-수소 결합이 분자 내에 많이 존재하므로 선택성 확보 역시 어려웠다.
연구진은 이리듐 촉매 하에서 아릴실레인(arylsilanes)을 반응제로 사용하여 탄소-수소 결합 활성화를 통한 아릴화 반응을 상온에서 구현하는 데 성공했다.
여태껏 전이금속 촉매를 사용하는 탄소-수소 결합 활성화를 통한 아릴화 반응이 대부분 높은 온도에서 이루어진 것과 달리 상온에서도 이 반응이 가능할 뿐 아니라, 분자 내에서 위치선택적으로 아릴기를 도입할 수 있다.
상온에서 아릴기 도입 반응에 성공할 수 있었던 것은 실험과 이론연구가 동시에 이루어졌기 때문이다. 기존에 알려진 아릴화 반응경로는 과정중 생성되는 금속교환반응 중간체(transmetallation intermediate)의 안정성 때문에 반응과정에서 높은 에너지가 요구됐다.
원리 연구를 통해 전이금속을 촉매로 하는 탄소-수소 결합 활성화를 통한 아릴화 반응에서 최초로 금속교환반응 중간체를 분리, 분석했다.
이를 바탕으로 금속교환반응 중간체만을 선택적으로 산화시키는 새로운 경로를 개발하여 에너지 장벽을 효과적으로 낮췄다. 또한 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 실험 결과를 토대로 제안된 반응경로의 타당성을 검증했다.
장 교수는 “상온에서 위치 선택적 아릴화 반응을 이끌어 낸 것과 더불어 반응 메커니즘 연구를 통해 기존에 통상적으로 제안되어져 왔던 진행경과와는 다른 새로운 반응경로로 반응이 이루어짐을 규명했다”며 “이 반응경로를 알아내고 이를 바탕으로 고온이나 과량의 첨가물 없이도 선택적인 반응방법을 개발하였다는 점에서 그 의의가 크다”고 말했다.
연구결과는 국제학술지 네이처 케미스트리 12월 11일자 온라인 판에 게재됐다.
□ 그림 설명
그림1. 금속교환반응 중간체(transmetallation intermediate)의 X-ray 결정구조
그림2. 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 본 중간체의 산화상태와 중간체에서 일어나는 환원성 제거반응(reductive elimination)에 필요한 에너지장벽(energy barrier)간의 상관관계
그림3. 연구진이 제안한 이리듐 촉매를 활용한 아릴화 반응 메커니즘
2018.01.02 조회수 14345 -
김상규 교수, 화학반응 교차점에서 반응 메커니즘 규명
〈 우경철 박사과정, 김상규 교수, 강도형 박사과정 〉
우리 대학 화학과 김상규 교수 연구팀이 분자의 결합이 떨어지는 화학반응의 교차점에서 발생하는 두 가지 반응 경로를 실시간으로 관찰해 정확한 속도를 측정하는 데 성공했다.
김 교수는 지난 2010년 실험을 통해 두 반응의 위치에너지의 곡면이 만나는 화학반응의 핵심인 ‘원뿔형 교차점’의 존재와 분자구조를 규명한 바 있다.
이어서 이번 연구를 통해 화학반응의 교차점에서 발생하는 두 반응의 속도를 정확하게 측정함으로써 관련 연구의 이론적, 실험적 발전에 기여할 것으로 기대된다.
우경철, 강도형 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 ‘미국화학회지(JACS)’ 11월 7일자 온라인 판에 게재됐다.
빛을 받아 일어나는 화학반응은 전자적으로 들뜬 상태에서의 상호작용을 통해 발생한다. 일반적으로 전자상태 간의 상호작용은 한 개의 경로를 갖는 것이 보통이다. 하지만 양자상태에 따라 반응속도가 변하는 현상이 종종 발견되기도 한다.
이렇게 두 개 이상의 서로 다른 성격을 지닌 위치에너지곡면들이 교차하는 지점을 원뿔형 교차점(conical intersection)이라고 부른다. 이 구간은 화학반응에 대한 양자역학적 기술을 가능케 하는 ‘본-오펜하이머 가정(Born Oppenheimer approximation)’이 성립하지 않는 영역으로 알려져 있다.
김 교수는 2010년 분광학적 방법을 통해 이 원뿔형 교차점의 존재를 발견했고 이는 곧 에너지곡면 교차점의 양자상태 반응의 시작점임을 증명했다. 또한 여기서 출발한 반응은 매우 다른 반응속도를 가진 서로 다른 두 경로로 분리돼 진행된다는 것을 밝혔다.
그러나 일반적인 분광법을 통해서 교차점의 시작점은 알 수 있었지만 각 곡면이 갖는 속도를 측정하는 것은 불가능했다.
연구팀은 기존의 분광법이 아닌 피코초(10-12초) 시간분해능 분광법을 이용했다. 기존 기술은 나노초를(10-9초) 기반으로 한 실험을 이용한하기 때문에 에너지 부분에서는 정확하게 측정할 수 있지만 나노초로는 반응의 속도를 측정할 수 없다. 화학반응이 나노초 이내에서 이뤄지기 때문이다.
연구팀의 피코초 시간분해능 분광법은 에너지와 시간 모두 정확하게 측정할 수 있기 때문에 원하는 결과를 얻을 수 있었다.
연구팀은 본-오펜하이머 가정이 성립하는 단열 반응(adiabatic reaction)과 본-오펜하이머 가정이 성립하지 않는 비단열 반응(non-adiabatic reaction) 각각 두 개의 경로가 활성화되고 반응 속도 뿐 아니라 생성물의 에너지 분포 등이 큰 차이를 보임을 확인했다.
자유도의 수가 많은 복잡한 분자 반응에서 양자상태에 근거한 반응교차점에서의 비 단열성을 정량적으로 관찰하고 설명한 경우는 처음이다. 이를 통해 향후 있을 이론적, 실험적 연구의 촉진에 기여할 것으로 기대된다.
김 교수는 “기초과학 연구는 인류가 자연을 이해하고 지혜롭게 이용하는데 필수적이며 기초과학의 발전 없이 새로운 기술적 진보를 기대하기는 힘들다”며 “이번 연구를 통해 기초과학의 연구에 열정을 다할 수 있는 젊은 학문적 기대주들이 많이 성장할 수 있길 바란다”고 말했다.
이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 반응교차점에서 시작된 반응 그래프, 단열반응경로 (빨간색)와 비단열반응경로 (파란색)로 나눠짐
그림2. 반응교차점 입체도
그림3. 반응교차점 메커니즘 개념도
2017.11.30 조회수 15255 -
송현준 교수, 이산화탄소를 99% 순수연료로 바꾸는 광촉매 개발
〈 송현준 교수, 김진모 박사과정, 임찬규 박사과정 〉
우리 대학 화학과 송현준 교수 연구팀이 탄산수에 포함된 이산화탄소를 99% 순수한 메탄 연료로 바꿔주는 금속산화물 혼성 광나노촉매를 개발했다.
태양광을 이용해 메탄으로 직접 변환하는 기술은 태양전지를 이용해 전기를 생산 후 이를 전지에 저장하는 방식보다 저장 가능한 에너지의 양 측면에서 매우 효율적이다. 이번 연구는 값싼 촉매 물질을 이용해 반응 효율과 선택성을 크게 높인 화학에너지 저장방법을 구현했다는 의의를 갖는다.
목포대 남기민 교수와 공동으로 연구하고 배경렬 박사, 김진모 박사과정이 공동 1저자로, 임찬규 박사과정이 3저자로 함께 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7일자 온라인 판에 게재됐다.
태양광은 차세대 에너지원으로 주목받고 있지만 해가 떠있는 동안에만 이용하고 발전량이 날씨에 따라 일정하지 않다는 단점이 있다. 태양광 에너지를 연료 등의 화학에너지로 직접 변환할 수 있다면 에너지 저장 및 이용에서의 문제점을 해결할 수 있다.
특히 온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소를 태양광을 이용해 변환하는 기술이 에너지와 환경 문제를 함께 해결할 수 있어 주목받고 있다. 하지만 이산화탄소는 매우 안정적인 물질이기 때문에 다른 분자로의 변환이 어려워, 이를 극복하기 위해 효율과 선택성이 좋은 촉매를 개발해야 한다.
송 교수 연구팀은 선크림에 주로 사용되는 아연산화물 나노입자를 합성한 뒤 표면에 구리산화물을 단결정으로 성장시켜 콜로이드 형태의 아연-구리산화물 혼성 나노구조체를 제작했다.
구리산화물은 빛을 받으면 높은 에너지를 가진 전자를 생성하며 이는 탄산수에 녹아있는 이산화탄소를 메탄으로 바꿔주는 역할을 한다. 또한 아연산화물도 빛을 받아 전자를 생성한 뒤 구리산화물로 전달해 주기 때문에 마치 나뭇잎에서 일어나는 광합성 현상과 유사한 원리를 통해 오랜시간 반응 시간을 유지했다.
그 결과 수용액에서 반응 실험을 실시했음에도 불구하고 이산화탄소에서 99%의 순수한 메탄을 얻을 수 있었다.
기존의 불균일 광촉매는 고체의 분말 형태이기 때문에 구조가 균일하지 않고 물에 분산되기 어려웠다. 송 교수 연구팀은 나노화학 합성 방법을 이용해 촉매 입자의 구조를 일정하게 조절하고 높은 표면적을 유지시켰다. 이를 통해 기존 촉매보다 수용액에서의 이산화탄소 변환 활성을 수백 배 증가시켰다.
송현준 교수는 “태양광을 이용한 이산화탄소의 직접 변환 반응의 상용화에는 많은 시간이 필요하다. 그러나 이번 연구처럼 나노 수준에서의 촉매 구조의 정밀한 조절은 광촉매 반응의 효율 향상 및 원리 연구에 큰 도움을 줄 것이다”며 “이를 다양한 광촉매에 접목시키면 촉매 특성의 최대화가 가능할 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 광나노촉매를 이용한 수용액에서의 이산화탄소 변환 반응 개념도
그림2. 아연-구리산화물 나노촉매의 구조와 이를 이용한 광촉매 CO2 변환 반응 및 안정성 테스트 결과
2017.11.09 조회수 17967 -
최인성 교수, 농산물 장기보존 가능한 나노코팅기술 개발
〈 최 인 성 교수 〉
우리 대학 화학과 최인성 교수 연구팀이 친환경 나노코팅 기법을 이용해 과일의 부패 기간을 늦출 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술은 식물 기반의 폴리페놀 물질을 이용해 코팅 시료의 종류에 관계없이 사용할 수 있는 범용 스프레이 나노코팅기술이다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 8월 1일자 온라인 판에 게재됐다.
폴리페놀 물질은 다량의 수산기(-OH)를 갖는 식물의 광합성 대사산물 중 하나로 뛰어난 항산화 작용을 수행하는 식물 기반의 천연물질이다. 잠재적 항암효과와 높은 항균성을 가져 식품 첨가물 등에 사용되고 있다.
폴리페놀은 철 이온과 화학적으로 강하게 결합해 복합체를 형성한다는 특성도 갖는다. 연구팀은 폴리페놀-철이온 복합체의 형성반응과 분사 기술을 접목해 나노코팅기술을 개발했다.
이 스프레이 코팅 기술은 코팅물질을 코팅용액에 담가 코팅하는 침지법에 비해 코팅 시간이 짧고(5초 이내) 원하는 영역에만 선택적 코팅이 가능하다. 또한 침지법에서 발생하는 시료의 변형과 코팅용액의 상호 오염을 막을 수 있다.
연구팀은 개발된 기술을 과일 표면에 적용해 가식성(edible) 항균 코팅으로의 응용이 가능함을 입증했다.
코팅된 귤과 딸기를 각각 28일, 58시간 이후에 상태를 측정했고 코팅되지 않은 과일에 비해 상당수가 모양과 품질을 유지했다.
반면 코딩되지 않은 귤과 딸기는 박테리아 및 곰팡이 균의 번식으로 부패 및 변형이 발생했다.
연구팀은 과일 뿐 아니라 금속표면, 플라스틱, 유리, 섬유시료에도 손쉽게 코팅할 수 있음을 확인했다. 특히 안경알, 신발 밑창 등 생활용품 표면에도 코팅이 가능해 각각 흐림방지, 무좀균 생장을 억제하는 항균 기능도 가능함을 증명했다.
개발된 나노코팅기술은 국내 특허로 등록됐고 현재 과일 신선도 유지 코팅법의 상용화를 진행 중이다.
최 교수는 “나노코팅기술은 큰 잠재력과 응용성을 가진 첨단기술이다”며 “개발된 나노코팅기술은 다양한 목적으로 쉽게 적용가능하고 기존 코팅 기술 및 나노물질과 결합돼 더 큰 시너지를 일으킬 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. (a-I, II) 나노코팅된 귤과 코팅되지 않은 귤을 14일, 28일 동안 상온에서 보관하였을 때 비교사진. (b-I, b-II) 나노코팅된 딸기와 코팅되지 않은 딸기를 58시간 동안 상온에서 보관하였을 때 비교사진 및 식품 변질 검사결과
2017.08.10 조회수 16193 -
백무현 교수, 타이타늄 촉매반응으로 화학소재 올레핀 합성 성공
〈 백 무 현 교수 〉
우리 대학 화학과 백무현 교수 연구팀이 우리 주변에 흔한 타이타늄(Titanium) 촉매를 활용해 플라스틱, 의약품 원료로 사용하는 올레핀(olefins) 합성에 성공했다.
석유화학산업 분야 주요 소재인 올레핀은 보통 800℃ 고온으로 석유를 증기 분해(steam cracking)해 제조한다. 매우 높은 열과 에너지가 투입되고 이산화탄소 등 온실가스가 발생하는 것이 단점이다.
연구결과는 27일 국제학술지 네이처 케미스트리에 게재됐다.
기초과학연구원 분자활성 촉매반응 연구단의 부연구단장으로 재직 중인 백무현 교수는 계산화학을 통해 타이타늄을 최적의 촉매로 선택했고 탄화수소(hydrocarbon)의 수소를 선택적으로 없애는 탈수소반응을 구현했다. 이로써 기존 공정에 비해 10분의 1정도 낮은 온도(75℃)에서 올레핀을 합성했다.
올레핀은 플라스틱, 고분자 화합물, 의약품 등에 활용하는 기초 원료이다. 활용도가 커 올레핀 합성 과정은 많은 연구자들이 연구주제로 삼고 있다.
올레핀은 탄화수소가 수소를 잃으면서 탄소(C) 두 개가 이중결합(C=C)해 생성되는데 증기 분해 방식은 반응 중 탄소-탄소 결합이 끊어져 올레핀 혼합물이나 다른 탄화수소들이 합성되는 단점이 있다. 또 석유 대신 천연가스에서 올레핀을 합성하려면 온실가스가 발생해 오염과 공해 문제가 뒤따랐다.
화학자들은 석유와 천연가스 등 탄화수소 화합물을 가공하거나 분해할 때 열과 에너지를 적게 사용하고, 환경오염이 덜한 화학반응을 구현하기 위해 다양한 촉매반응을 연구했다.
탄소와 수소만으로 결합된 탄화수소는 두 분자 간 결합이 매우 강하기 때문에 결합을 끊고 반응을 유도하는 촉매 개발이 주요 과제였다. 이리듐(Iridium), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium) 등 전이금속을 촉매로 적용했으나 비용이 너무 비싸 실제 산업에 활용하기는 어려웠다.
백 부단장은 비싼 전이금속 보다 수십 배 저렴한 타이타늄을 촉매로 적용했다. 백 부단장은 밀도범함수를 활용한 계산 화학을 통해 최적의 촉매 후보물질로 타이타늄을 제안했고 미국 펜실베니아대학 연구진은 약 75℃에서 탈수소반응이 성공적으로 이뤄졌음을 실험으로 확인했다.
지난해 이리듐 촉매로 메탄가스의 강력한 탄소-수소 결합을 분해한 데 이어 이번 연구에서도 계산화학으로 정확한 촉매를 예측했다. 또 탈수소반응에 이리듐 촉매를 활용할 때 탄화수소가 이성질화(isomerization) 되는 문제도 타이타늄 촉매로 해결됨을 관찰했다.
백 교수는 “이리듐은 반응성이 매우 크지만 값이 비싸고 구하기 어렵다. 반면 타이타늄은 값이 매우 저렴하고 구하기 쉽다”며 “향후 타이타늄 촉매의 반응성과 효율성을 높인다면 기존 올레핀 합성공정의 비용이 줄어들 것”이라고 말했다.
이번 연구는 미국 펜실베니아 대학의 대니얼 민디올라(Daniel J. Mindiola) 교수 그룹과 공동으로 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 연구진이 제안한 타이타늄 촉매를 활용한 탈수소반응 메커니즘
그림2. 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 본 탈수소반응 메커니즘
2017.06.28 조회수 16497 -
한순규 교수, 천연 물질인 플루게닌C 합성에 성공
우리 대학 화학과 한순규 교수 연구팀이 새로운 방식의 화학반응을 이용해 자연 상태에서 존재하는 천연물을 인위적으로 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 분자 간 화학반응의 일종인 라우훗-쿠리어 반응(Rauhut-Currier 반응, RC 반응)을 이용해 이합체 천연물인 플루게닌 C를 합성했다.
전상빈 석박사통합과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 화학 분야의 국제 학술지 ‘미국화학회지(JACS : Journal of the American Chemical Society)’ 5월 10일자에 게재됐다.
천연물 전합성(Total Synthesis)은 순차적 화학반응을 통해 자연에 존재하는 천연 물질을 실험실에서 인위적으로 합성해내는 연구 분야이다.
이 과정은 각 단계의 화학반응이 모두 성공적으로 이뤄져야만 목표하는 분자에 도달할 수 있어 높은 수준의 인내심, 창의성 등이 요구된다. 학계에서는 천연물 전합성 학자를 가리켜 ‘분자를 다루는 예술가’로 부르기도 한다.
이번 연구는 분자 간 라우훗-쿠리어 반응을 전합성에 응용한 최초의 사례이다. 라우훗-쿠리어 반응은 1963년 라우훗과 쿠리어에 의해 보고된 반응으로 친핵체 촉매에 의해 진행되는 현상이다.
기존의 분자 간 라우훗-쿠리어 반응은 150도 이상의 고온 및 고농도 용액에서 유독한 촉매를 통해 비 선택적으로 진행된다는 한계가 있어 천연물 전합성에 적합하지 않았다.
연구팀은 문제 해결을 위해 반응물 내부에 친핵체를 위치시켰다. 이를 통해 상온의 옅은 용액에서 촉매 없이 간단한 염기성 시료를 첨가시키는 것만으로도 라우훗-쿠리어 반응을 이끌어 낼 수 있음을 확인했다.
연구팀은 이 반응 조건을 이용해 시중에서 구입 가능한 아미노산 유도체를 12단계를 거쳐 플루게닌 C라는 천연물질로 합성하는 데 성공했다.
한 교수는 “이번 연구는 라우훗-쿠리어 반응의 효율성과 선택성을 획기적으로 향상시킨 발견이다”며 “기존에는 합성할 수 없었던 다양한 천연물, 신약 또는 유기재료를 합성할 수 있는 길이 열렸다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST의 정착 연구비, 하이리스크하이리턴(HRHR) 및 RED&B(Research, Education, Development & Business) 과제, 한국연구재단의 신진연구자 지원사업, 기초과학연구원 분자활성 촉매반응 연구단의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 대표적인 이합체-소중합체 세큐리네가 알칼로이드
그림2. 플루게닌 C의 합성 경로
2017.05.19 조회수 18026 -
박희성 교수, 맞춤형 단백질 변형기술 동물 모델 적용에 성공
우리 대학 화학과 박희성 교수 연구팀이 아주대 의과대학 박찬배 교수와의 공동 연구를 통해 동물 모델에서 단백질의 아세틸화 변형을 조절할 수 있는 기술을 개발했다.
인간의 질병 연구에 대표적으로 쓰이는 쥐 모델에서 단백질 아세틸화를 조절할 수 있게 돼 다양한 질병의 원인을 밝힐 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프런티어사업(의약바이오컨버젼스연구단, 단장 김성훈)과 지능형 바이오시스템 설계 및 합성연구단(단장 김선창), 식약처의 미래 맞춤형 모델동물개발 연구사업단(단장 이한웅)의 지원을 받아 수행됐다.
이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 21일자 온라인 판에 게재됐다.
우리 몸의 세포에서 만들어지는 2만 여종의 단백질은 생합성 이후 인산화, 아세틸화, 당화 등 200여 종의 다양한 변형(post-translational modification)이 발생하게 된다.
세포 내 단백질들은 다양한 변형을 통해 기능과 활성이 조절되며 이러한 변형은 생체 내에서 세포 신호 전달 및 성장 등 우리 몸의 정상적인 신진대사 활동을 조절하는 매우 중요한 역할을 한다.
하지만 유전적 또는 환경적 요인으로 인해 단백질 변형이 비정상적으로 일어나면 세포의 신호 전달, 대사 활동 등이 손상돼 암, 치매, 당뇨를 포함한 다양한 중증 질환을 유발한다.
기존에는 이러한 비정상적 단백질 변형을 동물 모델에서 인위적으로 유발시키고 제어하는 기술이 존재하지 않아 질병의 원인 규명 및 신약 개발 연구에 어려움이 있었다.
박 교수팀은 2016년 9월 다양한 비정상 변형 단백질을 합성할 수 있는 맞춤형 단백질 변형 기술을 개발해 사이언스(Science)지에 발표한 바 있다.
연구팀은 기존 연구를 더 발전시켜 각종 암과 치매 등의 이유가 되는 퇴행성 신경질환의 원인인 비정상적인 단백질 아세틸화를 동물 모델에서 직접 구현하는 기술을 개발했다.
연구팀은 이 기술을 바탕으로 실험용 쥐의 특정한 발달 단계나 시기에 표적 단백질의 특정 위치에서 아세틸화 변형을 조절할 수 있음을 증명했다.
또한 다른 조직에 영향을 주지 않고 간이나 콩팥 등 특정 조직이나 기관에서만 표적 단백질의 아세틸화 변형 제어가 가능함을 확인했다.
연구팀은 “이 기술은 암과 치매 등 단백질의 비정상적 변형으로 발생하는 각종 질병의 바이오마커 발굴 등 질병 원인 규명 연구의 획기적인 전기를 마련할 것으로 기대된다”고 말했다.
박희성 교수는 “실용화 될 경우 지금까지 실현이 어려웠던 다양한 질병에 대한 실질적 동물 모델을 제조할 수 있을 것으로 전망된다”며 “향후 맞춤형 표적 항암제 및 뇌신경 치료제 개발 등 글로벌 신약 연구에 새 패러다임을 열 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 아세틸화 변형 조절 마우스 개발 및 아세틸화 제어 결과
그림2. 비정상적인 단백질 변형 및 각종 질병의 모식도
2017.03.06 조회수 17199 -
이해신 교수, 찔러도 출혈 없는 주사바늘 개발
우리 대학 화학과 이해신 교수 연구팀이 홍합이 가진 접착 기능을 모방한 생체 재료를 이용해 찔러도 출혈이 없는 주사바늘을 개발했다.
이번 연구결과는 재료 분야의 네이처 자매지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 10월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
모든 의료 처치에서 주사바늘의 사용은 필수이다. 혈액채취, 링거, 카테터, 스텐트 삽입, 약물 및 백신 주사 등 상당수 의료적 처치는 모두 주사바늘을 통해 이뤄진다. 처치 후에는 환부를 수 분 가량 압박해 지혈을 한다.
압박만으로도 건강한 일반인들은 3분 내외로 효과적 지혈을 할 수 있지만 장기입원중인 암 환자, 당뇨병, 혈우병, 아스피린 장기 복용 환자 등은 정상적인 지혈이 어렵거나 불가능한 경우가 많다.
주사바늘에 코팅되는 지혈 재료는 주사 전에는 주사바늘의 표면에 단단히 코팅돼야 하고 주사 후에는 혈관내벽 또는 피부에 부착돼 지혈 기능을 수행해야 한다. 따라서 기계적 물성이 강한 필름형태의 지혈 재료를 사용하는 것이 중요하다.
그러나 기존의 지혈 재료들은 기계적 물성이 약해 주사 과정에서 발생하는 마찰력을 견디지 못하는 한계를 가졌다.
연구팀은 문제 해결을 위해 홍합의 특성을 이용했다. 홍합이 섬유 형태의 족사(어패류의 몸에서 나오는 경단백질의 강인한 섬유다발, )를 이용해 강한 파도가 치는 해안가의 바위에서도 단단히 붙어 생존하는 현상에 착안해 홍합 족사의 구조를 모방했다.
이러한 접착성을 의료기술과 결합하면 수분이 70% 이상 존재하는 생체 환경에서도 우수한 접착 능력을 기대할 수 있다. 연구팀은 이전에도 이를 이용한 다양한 지혈 재료들을 개발해 왔다.
연구팀의 찔러도 피가 나지 않는 주사바늘은 일반 주사바늘에 지혈재료를 코팅해 주사 후에 상처부위를 물리적으로 막아 자발적으로 지혈할 수 있게 만드는 기술이다.
홍합 족사 구조에 존재하는 카테콜아민 성분을 도입한 접착성 키토산을 이용해 주사바늘 위에 지혈기능성 필름을 형성했다. 이후 혈액에 필름이 닿으면 하이드로젤 형태로 순간적으로 전이되면서 지혈 현상이 발생하는 것이다.
이 기술은 지혈 기능에 문제를 갖는 당뇨병, 혈우병, 암 환자와 아스피린 복용자 등에게 적용 가능할 것으로 기대된다.
이해신 교수는 “개발된 기술은 모든 혈관 및 근육 주사에 효과를 보이고 혈우병 모델에서도 효과적인 기능을 보이기 때문에 혈액응고장애가 있는 환자들에게 유용할 것이다”며 “카테터 및 생검바늘 등 다양한 침습 의료기기들과 결합해 새로운 기술의 발전이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
안전성평가연구소의 강선웅, 김기석 박사 연구팀과 ㈜이노테라피(대표 이문수)와의 공동 연구로 진행된 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자도약사업, 보건복지부 암정복추진연구개발사업, 암중개융합연구의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 일반동물모델에대한 근육주사후 지혈효과
그림2. 혈우병동물모델에대한 지혈효과
그림3. 주사기 제조과정 및 표면 특성분석
2016.10.06 조회수 12941 -
박희성, 이희윤 교수, 암, 치매 유발하는 '변형 단백질' 생산기술 개발
우리 대학 화학과 박희성 교수, 이희윤 교수 공동 연구팀이 암과 치매 등 각종 질병을 유발 원인으로 알려진 단백질의 비정상적인변형을 구현할 수 있는 맞춤형 단백질 변형기술을 개발했다.
양애린 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 ‘사이언스(Science)’ 9월 29일자 온라인 판에 게재됐고 '가장 중요한 논문(First Release)'에 선정됐다.(논문명 : A chemical biology route to site-specific authentic protein modifications)
신체의 기본 단위인 세포는 2만여 종의 유전자를 가지고 있다. 여기서 만들어지는 단백질의 종류는 100만 종 이상으로 추정된다. 이는 단백질이 만들어진 후 다양한 단백질 변형(post-translational modification) 현상이 일어나기 때문이다.
이러한 단백질 변형의 원인으로는 인산화, 당화, 아세틸화, 메틸화 등 200여 종이 알려져 있으며, 정상적으로 변형된 단백질들은 생체 내에서 세포 신호 전달, 성장 등 정상적인 신진대사 활동에 중요한 역할을 한다.
그러나 유전적, 환경적 요인으로 인해 비정상적 단백질 변형이 일어나면 세포의 대사활동과 신호전달이 손상돼 세포의 무한 분열을 초래하기도 한다. 각종 암은 물론 치매를 일으키는 퇴행성신경질환 및 당뇨를 포함한 각종 만성질환을 유발한다.
이전에는 이러한 비정상적인 단백질 변형을 구현한 맞춤형 변형 단백질 개발기술이 존재하지 않아 각종 질병의 원인 규명과 맞춤형 신약 개발 연구에 많은 어려움이 있었다.
연구팀은 2011년 암을 일으키는 직접적인 원인으로 알려진 비정상적인 단백질 번역 후 인산화를 구현하기 위한 맞춤형 인산화 변형 단백질 생산기술을 개발해 사이언스지에 논문을 발표했었다.
이번 연구는 지난 2011년의 선행연구 결과를 더욱 발전시켜 인산화 이외에 당화, 아세틸화 등과 같은 다른 200여종의 단백질 변형을 직접 구현해 원하는 변형 단백질을 합성할 수 있는 기술이다.
박 교수는 “이 기술을 활용하면 원하는 위치에서 원하는 종류의 맞춤형 변형 단백질 생산이 가능해져 암과 치매 등 단백질 변형으로 인해 발생하는 질병의 직접적인 원인을 밝힐 수 있다”며 “신약 및 치료제 개발 속도를 높이고 발생할 수 있는 부작용을 최소화할 수 있는 획기적인 기술이다”고 말했다.
이번 연구는 글로벌프론티어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 맞춤형 단백질 변형 기술 개발
그림2. 맞춤형 단백질 변형 기술의 활용
2016.10.03 조회수 10475 -
유룡 교수, 3차원 그래핀 합성 기술 개발
〈 유 룡 교수 〉
우리 대학 화학과 유룡 교수 연구팀이 꿈의 소재 그래핀의 성능을 뛰어 넘는 3차원 그래핀 합성법 개발에 성공했다.
연구팀은 제올라이트 주형과 란타늄 촉매를 활용한 나노주형합성법으로 그래핀의 강점을 고스란히 살린 마이크로 다공성 3차원 그래핀을 제작했다.
기존의 3차원 그래핀은 2차원 평면구조를 곡면으로 구현, 반응면적이 좁고 2차원 구조로 되돌아가는 등의 문제로 상용화가 어려웠다.
그러나 새롭게 개발된 3차원 그래핀은 완벽한 입체 결정 구조로 안정성과 우수한 물성을 고루 갖춰, 화학공업용 고효율 촉매 패키징, 고성능 배터리 음극제, 고효율 여과막(멤브레인) 등 다용도로 활용이 가능, 관련 산업 전반에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
연구진은 제올라이트 주형의 미세기공에 란타늄 양이온을 촉매로 주입함으로써, 기공 내 탄화수소기체(에틸렌‧아세틸렌)의 탄화온도를 낮춘 것이 이번 연구의 핵심이라고 밝혔다. 그 결과 미세기공 속에서도 원활한 탄소 증착을 유도해 견고한 탄소 결정 구조물을 구현해냈다. 마지막으로 산용액(염산, 불산)으로 제올라이트 주형을 녹여내 3차원 그래핀을 만들어 냈다. 연구진은 포항가속기연구소와 한국기초과학지원연구원 서부센터의 도움을 받아 X선 회절 분석법으로 3차원 그래핀의 완벽한 탄소 결정구조를 확인했다.
연구진은 이번 연구로 과거 이론적 구상에 그쳤던 마이크로 다공성 3차원 그래핀의 양산법이 고안 됨에 따라, 앞으로 실제 양산과 산업 적용이 이뤄지며 화학공업 등 관련 산업 전반에 혁신을 가져올 것으로 전망하고 있다.
실제로 연구진은 3차원 그래핀을 기존 상업용 그래핀 전지의 음극재로 시험 적용, 기존 약 100mAh의 정전용량을 약 300mAh(전류밀도 8mA/cm²기준)로 끌어올렸다. 특히 이번 연구는 주재료인 제올라이트가 1톤 당 300달러 정도로 매우 저렴하고, 탄화반응 후 염산과 불산으로 제올라이트 주형을 녹여 제거하는 공정도 단순하다. 또한 대량 합성에서도 높은 재현성을 보여, 머지 않아 본격적인 양산으로 이어질 것으로 보인다.
유 교수는 “그 동안 여러 가지 실험상의 어려움으로 제올라이트를 주형으로 3차원 그래핀을 만드는 연구가 크게 활성화되지 못했었다”며 “이번 연구 결과를 계기로 많은 과학자들이 이러한 탄소나노물질에 관심을 갖게 될 것이며, 2차원 그래핀의 장점에 더해 넓은 반응면적과 다양한 응용이 가능한 나노 다공구조를 갖춘 3차원 그래핀은 응용 분야에서도 큰 관심을 끌 수 있을 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 마이크로 다공성 3차원 그래핀의 투과 전자현미경 사진
그림2. LTA 제올라이트를 활용한 탄소합성 결과
그림3. 마이크로다공성 3차원 그래핀의 전기전도도 측정결과
그림4.제올라이트 기공내부에 형성된 탄소의 전자밀도
2016.06.30 조회수 14462