Adsorbed Natural Gas (ANG) storage is an important technology for energy and environment applications because it can operate at room temperature and lower pressure compared to conventional Compressed Natural Gas (CNG) and Liquefied Natural Gas (LNG). Although several attempts have been made to utilize the adsorbents such as zeolite and metal-organic frameworks (MOFs), no structure has been reached the target methane deliverable capacity value (315 cm$^3$(STP)cm$^{-3}$) proposed by the U.S. Department of Energy. Moreover, millions of nanoporous materials have been developed using computer-aided design, but they did not even reach the experimental record. It is our opinion that this absence of high-performance materials is caused by the insufficient size of material space and the difficulty of implementing additional factors such as flexibility of porous materials. To overcome these problems, the first and second studies in this thesis focus on the development of inverse design system which has a much larger pool of materials. (1) A neural network model has been developed for the inverse design of porous materials, and (2) the available porous material space has been expanded to 247 trillion using topology-guided design. And the last chapter focuses on (3) the storage of natural gas using the flexibility of metal-organic frameworks. Flexible wine-rack MOFs were designed by computer-aided method, and their deliverable capacities were evaluated using molecular simulations. As a result, about 100 record-breaking candidates were found, including both rigid and flexible materials.
나노 다공성 물질을 이용한 천연가스 흡착은 기존 압축 천연가스나 액화 천연가스에 비해 상온, 저압에서 적용될 수 있어 에너지 및 환경 분야에서 중요한 기술이다. 그러나 제올라이트나 금속-유기 구조체와 같은 흡착제 개발 시도가 계속되었음에도, 아직 미국 에너지부에서 제시한 메테인 저장 목표치에 도달한 구조가 발견되지 않았다. 게다가, 컴퓨터 설계로 수백만개의 나노 다공성 물질이 개발되었음에도 실험 기록을 넘어선 구조는 존재하지 않는다. 이러한 고성능 소재의 부재의 원인은 물질 공간의 크기가 불충분하며, 다공성 물질의 유연성 같은 부가적 요소의 구현이 어렵기 때문이라 생각된다. 이러한 문제들을 극복하기 위해, 본 연구의 초반에는 훨씬 큰 영역의 다공성 물질을 역설계하는 시스템 개발에 초점을 둔다. (1) 다공성 물질 역설계를 위한 인공신경망 모델이 개발되었으며, (2) 토폴로지 유도 설계로 금속-유기 구조체 물질 공간을 확장하였다. 그리고 마지막 챕터에서는 (3) 금속-유기 구조체의 유연성을 이용한 천연 가스 저장에 초점을 둔다. 컴퓨터를 이용하여 와인-랙 형태의 유연한 금속-유기 구조체를 설계하고 분자 시뮬레이션을 이용하여 이들의 천연 가스 전달 능력을 평가하였다. 그 결과, 견고한 물질과 유연한 물질을 합쳐 약 100여개의 기록을 넘어서는 후보들이 발견되었다.
