김기문 연구실은 초분자 화학, 재료화학, 생무기화학 등 다양한 화학 분야를 융합하여 세계적인 연구 성과를 창출하고 있는 선도적 연구 그룹입니다. 연구실의 핵심은 쿠커비투릴(cucurbituril) 계열의 거대고리 화합물을 중심으로 한 초분자적 분자인식, 인공수용체 개발, 그리고 이를 기반으로 한 바이오센서, 단백질 분리, 약물전달시스템 등 생명과학 및 의료 분야로의 응용입니다. 쿠커비투릴의 다양한 동족체 합성 및 분자인식 연구는 기존의 생체 시스템을 능가하는 인공 시스템을 구현하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
또한, 연구실은 금속-유기 골격체(MOFs) 및 다양한 다공성 결정체의 설계와 합성, 그리고 이들의 기능성 응용에 있어서도 세계적인 연구를 수행하고 있습니다. MOF는 기체 저장 및 분리, 촉매, 센서, 광전자소재, 약물전달 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 특히 키랄 환경을 갖는 MOF를 이용한 선택적 분리 및 비대칭 촉매 반응, 내부 공간의 화학적·물리적 환경 조절 등 고차원적 기능성 소재 개발에 앞장서고 있습니다.
연구실은 또한 분자 및 초분자 수준에서의 자기조립 현상을 이용해 다양한 기능성 고분자 및 나노소재를 개발하고 있습니다. 비가역적 공유결합 자기조립, 자기조립 단층박막, 액정상 고분자, 나노복합체 등 첨단 나노테크놀로지 개발을 통해, 전기적·자기적 특성이 조절된 나노구조체, 자가치유 하이드로젤, 자극응답성 소재 등 스마트 소재를 창출하고 있습니다. 이러한 소재는 나노전자소자, 화학센서, 촉매, 테라노스틱스 등 다양한 첨단 응용 분야에서 활용되고 있습니다.
김기문 연구실은 이론화학, 유기화학, 무기화학, 고분자화학, 전기화학, 결정구조학, 분광학, 표면화학 등 다양한 분야의 전문가들과 협력하여 융합적이고 혁신적인 연구를 지속하고 있습니다. 이러한 다학제적 접근은 새로운 초분자 시스템, 기능성 재료, 바이오융합기술 등 미래 과학기술의 핵심 기반을 마련하는 데 크게 기여하고 있습니다.
연구실의 연구 성과는 Nature, Science, Angewandte Chemie, JACS 등 세계적 학술지에 다수 게재되고 있으며, 다수의 국내외 특허와 기술이전, 산업적 응용으로도 이어지고 있습니다. 앞으로도 김기문 연구실은 초분자 화학과 재료과학의 경계를 넘어, 차세대 지능형 소재와 융합기술의 혁신을 선도할 것입니다.
김기문 연구실은 초분자 화학 분야에서 세계적으로 선도적인 연구를 수행하고 있습니다. 특히 쿠커비투릴(cucurbituril) 계열의 거대고리 화합물을 중심으로 한 분자인식 및 인공수용체 개발에 집중하고 있습니다. 쿠커비투릴은 독특한 공동 구조와 뛰어난 결합 특성으로 인해 다양한 게스트 분자와의 초강력 비공유 결합을 형성할 수 있습니다. 이를 통해 기존의 생체 시스템에서 발견되는 생화학적 인식 과정을 모방하거나, 이를 능가하는 인공 시스템을 설계할 수 있습니다.
연구실에서는 쿠커비투릴의 다양한 동족체(5~8글리코루릴 포함) 합성에 성공하였으며, 이를 이용한 분자인식, 센서, 바이오칩 등 다양한 응용 연구를 진행하고 있습니다. 예를 들어, 암모늄 이온과 선택적으로 결합하는 인공수용체를 개발하여 환경 및 임상 분석 분야에서 기존의 노낙틴보다 월등히 높은 선택성을 보이는 센서 소재를 제시하였습니다. 또한, 쿠커비투릴-게스트 상호작용을 기반으로 한 단백질 분리, 표적 약물 전달, 바이오이미징 등 생명과학 및 의료 분야로의 확장도 활발히 이루어지고 있습니다.
이러한 연구는 단순한 분자 수준의 인식에 그치지 않고, 초분자적 자기조립, 분자기계, 분자스위치 등 동적 기능성 시스템으로의 발전을 이끌고 있습니다. 실제로 쿠커비투릴을 활용한 분자스위치, 분자기계, 자가치유 하이드로젤 등 다양한 기능성 소재가 개발되고 있으며, 이는 차세대 바이오센서, 약물전달시스템, 조직공학, 스마트 소재 등 다양한 산업적 응용 가능성을 제시합니다.
다공성 결정 및 금속-유기 골격체(MOFs) 기반 기능성 재료 개발
김기문 연구실은 금속-유기 골격체(MOFs) 및 다양한 다공성 결정 물질의 설계와 합성, 그리고 이들의 기능성 응용에 있어서도 세계적인 연구 성과를 내고 있습니다. MOF는 유기 리간드와 금속 이온이 결합하여 형성되는 3차원 다공성 결정체로, 기존 제올라이트 등 무기 다공성 물질의 한계를 극복할 수 있는 새로운 플랫폼입니다. 연구실에서는 구조적 설계와 자기조립, 후처리 합성법, 기능성 나노입자 도입 등 다양한 방법을 통해 전기적, 자기적, 촉매적, 광학적 특성을 정밀하게 조절할 수 있는 다기능성 MOF를 개발하고 있습니다.
이러한 다공성 결정체는 기체 저장 및 분리(예: 수소, 이산화탄소, 아세틸렌 등), 촉매, 센서, 광전자소재, 약물전달 등 다양한 분야에서 응용되고 있습니다. 특히, 키랄 환경을 갖는 MOF를 이용한 거울상 이성질체의 선택적 분리 및 비대칭 촉매 반응, 내부 공간의 화학적·물리적 환경을 조절하여 선택적 반응성을 부여하는 등, 기존 소재로는 구현하기 어려운 고차원적 기능을 실현하고 있습니다. POST-1 등 세계 최초로 개발된 새로운 구조의 다공성 결정체는 Nature, Angewandte Chemie 등 저명 학술지에 소개되며 국제적으로 큰 주목을 받았습니다.
최근에는 MOF 내부에 기능성 나노입자(예: 금속 나노클러스터, 자기성 입자 등)를 도입하거나, 유기-무기 하이브리드 구조를 구현하여, 촉매, 에너지 변환, 바이오센서, 조직공학 등 첨단 융합 분야로의 응용을 확장하고 있습니다. 이러한 연구는 재료화학, 나노과학, 생명공학 등 다양한 학문 분야와의 융합을 통해 새로운 패러다임의 기능성 소재 개발을 선도하고 있습니다.
기능성 고분자 및 나노소재의 자기조립과 응용
연구실은 분자 및 초분자 수준에서의 자기조립 현상을 이용해 다양한 기능성 고분자 및 나노소재를 개발하고 있습니다. 특히, 비가역적 공유결합 자기조립을 통한 고분자 나노캡슐, 2차원 박막, 나노튜브, 나노링, 나노리본 등 복잡한 구조의 나노소재 합성에 독창적인 방법론을 제시하고 있습니다. 이러한 자기조립은 분자 전구체의 크기, 형태, 결합 방향성, 반응 매질의 극성 등 내·외적 요인에 의해 정밀하게 제어되며, 이를 통해 집합체의 물리적·화학적 특성을 맞춤형으로 설계할 수 있습니다.
예를 들어, π-공액 고분자 또는 자기성 모노머의 자기조립을 통해 전기적, 자기적 특성이 조절된 나노구조체를 합성하거나, 하이드로젤, 자가치유 소재, 자극응답성 소재 등 다양한 스마트 소재를 개발하고 있습니다. 이러한 소재는 나노전자소자, 화학센서, 촉매, 테라노스틱스(진단·치료 융합) 등 첨단 응용 분야에서 높은 잠재력을 보입니다. 또한, 쿠커비투릴 기반 고분자 나노캡슐은 약물전달, 바이오이미징, 표적 치료 등 생명과학 분야로의 응용이 활발히 이루어지고 있습니다.
최근에는 자기조립 단층박막, 액정상 고분자, 나노복합체 등 차세대 나노테크놀로지 개발에도 박차를 가하고 있습니다. 이러한 연구는 분자설계-자기조립-기능화-응용까지의 전주기적 연구를 통해, 미래 지능형 소재 및 융합기술의 핵심 기반을 마련하고 있습니다.
Gengwu Zhang, Ikjin Kim, Lukman O. Alimi, Deepak Ramdas Boraste, Rahul Dev Mukhopadhyay, Weibin Lin, Aiping Chen, Vasilios G. Samaras, Abdul-Hamid Emwas, Basem A. Moosa, Kimoon Kim, Niveen M. Khashab, "Selective and sustainable separation of hydrocarbons from crude oil via molecular sieve"
Gengwu Zhang, Ikjin Kim, Lukman O. Alimi, Deepak Ramdas Boraste, Rahul Dev Mukhopadhyay, Weibin Lin, Aiping Chen, Vasilios G. Samaras, Abdul-Hamid Emwas, Basem A. Moosa, Kimoon Kim, Niveen M. Khashab
Nat. Sustain., 2025
2
M. Kim, R. . Mukhopadhyay, K. Kim, I. Hwang, "Spatiotemporal generation of alternating disparate pH domains via audible sound controlled opposing enzymatic reactions"
M. Kim, R. . Mukhopadhyay, K. Kim, I. Hwang
Chem. Commun., 2025
3
H. Lee, A. Dhamija, A, Gunnam, I. Hwang, K. Kim, "Enhancing the Chemical Stability of P12L24 Cage: Transformation of the Chemically Labile Imine Cage into a Robust Carbamate Cage"
