김성국 연구실의 핵심 축 가운데 하나는 양이온과 음이온을 동시에 인식할 수 있는 이온쌍 수용체의 설계와 합성이다. 기존의 단일 이온 수용체가 특정 양이온 또는 음이온 하나에 초점을 맞추었다면, 이 연구는 서로 반대 전하를 띠는 이온들이 실제 환경에서 쌍을 이루는 현상에 주목하여 보다 정교한 분자인식 시스템을 구현하는 데 목적이 있다. 이를 위해 초분자화학적 상호작용, 결합 부위의 공간 배치, 거시고리 구조의 형태 제어 등을 종합적으로 활용해 높은 선택성과 결합력을 갖는 기능성 분자를 개발한다. 연구실은 특히 거시고리, 칼릭스피롤 유도체, 스트랩 구조를 가진 수용체 등 다양한 유기분자를 기반으로 구조-기능 상관관계를 체계적으로 탐구한다. 수소결합, 정전기적 상호작용, 배위결합, 소수성 효과와 같은 비공유 결합성 상호작용을 조절하여 특정 이온쌍에 대한 선택적 인식을 유도하고, 용매 효과나 경쟁 이온 존재하에서의 결합 특성도 함께 분석한다. 이러한 접근은 단순한 분자 설계에 그치지 않고, 실제 작동 환경에서 유효한 초분자 시스템을 구축하는 데 중요한 기반이 된다. 이 연구는 센서, 분리기술, 추출 공정, 기능성 재료 개발 등으로 확장될 수 있다는 점에서 응용 가치가 매우 크다. 이온쌍을 정밀하게 인식하는 기술은 복잡한 화학 시스템에서 목표 이온을 선택적으로 분리하거나 검출하는 데 유리하며, 향후 환경 정화, 자원 회수, 바이오 관련 진단 기술로도 이어질 수 있다. 즉, 연구실의 이온쌍 수용체 연구는 유기합성화학과 초분자화학을 결합해 분자 수준의 정밀 제어를 구현하는 대표 연구 분야라고 할 수 있다.

연구실은 합성 이온수용체를 단순한 결합 분자에 머무르게 하지 않고, 실제로 세포막이나 인공막을 가로질러 이온을 운반하는 이온수송체로 확장하는 연구를 수행하고 있다. 이는 세포 내외 이온 농도, 막전위, pH 항상성 같은 생명현상과 밀접하게 연결되며, 특히 염화이온과 같은 음이온 수송 이상이 질병과 연관된다는 점에서 중요한 의미를 가진다. 따라서 합성 이온수송체 개발은 기초 화학 연구이면서도 동시에 생명과학 및 의약 응용 가능성을 지닌 융합 연구 주제이다. 이 연구에서는 유기합성으로 제작한 수용체가 막 환경에서 어떤 방식으로 이온을 포획하고 전달하는지, 그리고 그 과정이 운반 메커니즘, 선택성, 속도, 세포 독성에 어떤 영향을 주는지를 분석한다. 이온쌍 수용체 개념을 도입하면 특정 이온만이 아니라 동반 이온과의 상호작용까지 고려한 정교한 수송 설계가 가능해진다. 연구실의 대표 논문들이 보여주듯이, 이러한 합성 이온수송체는 세포 내 염화이온 이동을 촉진하고 항상성 교란을 유도함으로써 세포사멸과 같은 생물학적 반응까지 일으킬 수 있다. 장기적으로 이 연구는 낭포성섬유증과 같은 이온수송 관련 질환의 작동 원리를 이해하고, 새로운 치료 전략의 화학적 기반을 제시하는 데 기여할 수 있다. 또한 막수송 조절 기술은 항암 전략, 바이오센서, 약물전달, 인공 이온채널 설계로도 연결될 수 있다. 즉, 연구실의 합성 이온수송 연구는 초분자 분자인식을 실제 생명 시스템의 기능 제어로 확장하는 응용 중심의 연구 분야이다.

김성국 연구실은 초분자 수용체 화학을 에너지·환경 문제 해결로 연결하는 방향에서도 연구를 전개하고 있다. 특히 직접리튬추출과 폐리튬이온배터리 재활용을 위한 리튬 선택적 추출제 개발은 연구실의 분자인식 기술이 실용적 공정 기술로 확장되는 대표 사례이다. 리튬은 전기차와 에너지저장장치 확산에 따라 수요가 급증하고 있으나, 기존 채굴 및 회수 방식은 시간, 비용, 환경 부담 측면에서 한계가 있다. 이에 따라 특정 금속 이온만을 정밀하게 인식하는 화학적 추출제가 중요한 대안으로 부상하고 있다. 이 연구에서는 리튬 이온의 작은 크기와 높은 수화 특성, 그리고 나트륨·칼륨·마그네슘 등 경쟁 이온이 공존하는 복잡한 환경을 고려하여 높은 선택성을 갖는 수용체를 설계한다. 유기합성화학을 통해 결합 부위의 입체구조와 전자적 특성을 조절하고, 용매 추출, 액-액 계면 이동, 복합체 안정성 등 실제 분리공정에 필요한 요소를 함께 검토한다. 이러한 접근은 단순한 실험실 수준의 결합 연구가 아니라 산업적 활용 가능성을 염두에 둔 기능성 분자 설계라는 점에서 의미가 크다. 향후 이러한 선택적 이온 추출 기술은 리튬 회수뿐 아니라 우라늄, 핵폐기물 관련 이온, 기타 희소금속 분리로도 확장될 수 있다. 이는 자원 순환, 친환경 공정, 공급망 안정성과 직결되기 때문에 국가 전략 기술로서도 중요성이 높다. 연구실은 초분자화학의 정밀 분자인식 원리를 활용해 분리효율과 지속가능성을 동시에 개선하는 방향으로 연구를 수행하며, 화학이 사회적 문제 해결에 기여할 수 있음을 보여주고 있다.