올해 노벨 화학상
영광의 얼굴들....
왕립 스웨덴 과학 한림원은 2025년 노벨 화학상 수상자로 리처드 롭슨(Richard Robson), 스스무 기타가와(Susumu Kitagawa), 오마르 M. 야기(Omar M. Yaghi) 세 명의 과학자를 선정했다. 이들은 인류의 가장 중대한 난제들, 즉 고효율 에너지 저장, 탄소 포집, 환경 오염 물질 제거 등을 해결할 열쇠로 불리는 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOF)를 개발한 공로를 인정받았다.
위원회는 이들이 창조한 MOF를 영화 속 마법사의 지팡이에서 나온 "헤르미온느 그레인저의 마법 가방"에 비유했다. 겉보기에는 작지만 내부적으로는 분자가 자유롭게 드나들 수 있는 거대한 공동(Cavities)을 숨기고 있기 때문이다. 이 공동 덕분에 MOF는 단 몇 g만으로도 축구장 크기만 한 표면적을 확보하며, 기존의 다공성 물질(예: 제올라이트)을 압도하는 흡착 및 저장 능력을 발휘한다.
이 혁명적인 물질의 성공은 롭슨의 선구적인 개념, 야기의 안정성 구현과 명명(命名), 그리고 기타가와의 능동적인 기능성 부여라는 세 가지 결정적인 단계가 유기적으로 연결된 결과이다.
롭슨의 다이아몬드 격자
MOF 연구의 첫 벽돌은 1989년, 리처드 롭슨 교수가 놓았다. 그는 원자의 고유한 성질을 활용하여 특정한 분자 구조를 설계할 수 있다는 통찰을 기반으로 , 양전하를 띠는 구리 이온(Cu+)을 금속 노드로, 네 개의 팔을 가진 유기 분자를 링커로 연결하는 실험을 시도했다.
이 화학적 조립의 결과물은 다이아몬드 격자(Diamondoid Structure)를 닮았지만 , 그 내부에 분자가 드나들 수 있는 엄청난 빈 공간을 가진 결정 구조였다. 롭슨은 1990년, 이 공동에 채워진 용매 분자를 다른 물질로 교환하는 데 성공하며, MOF가 단순한 건축물이 아닌, 물질이 내부로 드나들며 기능할 수 있는 가능성을 최초로 시연했다. 이는 '격자 화학(Reticular Chemistry)'이라는 새로운 분자 건축의 개념적 토대가 되었다.
하지만 이 초기 구조는 치명적인 한계를 안고 있었다. 노벨위원회는 이 구조가 "불안정했고, 이로 인해 쉽게 붕괴한다는 단점"이 있었다고 명시했는데 , 이는 실용화를 가로막는 결정적인 난관이었다. 롭슨이 사용한 구리(Cu+) 이온 기반의 배위 결합은 상대적으로 가변성(Lability)이 높아 구조적인 강성이 부족했고 , 흡착 기능을 위해 공동 내부의 용매를 제거하는 활성화 과정에서 구조가 쉽게 무너져 내렸다.
MOF의 운명을 바꾼 '안정성'과 '유연성'
롭슨의 불안정한 비전을 현실로 만든 것은 오마르 M. 야기 교수였다. 그는 금속 클러스터와 유기 링커를 정밀하게 조립하는 합리적 설계(Rational Design)를 통해 원하는 구조를 만들고자 했다.
1995년, 야기는 안정성을 유지하는 2차원 물질을 발표하며 , 이 물질들을 '금속-유기 골격체'(Metal-Organic Framework; MOF)라고 명명했다. 이 용어는 이 분야 전체를 대표하는 공식 명칭이 되었다.
야기의 가장 기념비적인 업적은 1999년 발표된 MOF-5다. 그는 아연 기반의 Zn4O 클러스터를 보조 건축 단위(SBU)로 사용하여 구조의 강성을 극대화했고 , 이 안정성 확보를 통해 비로소 MOF의 본질적인 잠재력인 초고 표면적이 현실화되었다. MOF-5는 단 몇 g만으로도 축구장 크기만 한 내부 표면적을 가질 수 있음을 입증하며 , MOF가 에너지 저장 및 포집 분야의 핵심 물질이 될 수 있다는 가능성을 전 세계에 알렸다. 야기는 이후 MOF-5의 16가지 변형을 제작하여, MOF가 합리적인 방식으로 조절 및 변화될 수 있는 'MOF패밀리' 시대의 개막을 알렸다.
야기가 MOF에 안정성과 양적 성능을 부여했다면, 스스무 기타가와 교수는 MOF에 동적 기능성(Dynamic Functionality)을 도입하며 질적인 혁신을 이루었다. 기타가와는 연구 초기부터 "쓸모없는 것의 유용성"을 찾으려 노력했으며 , 1997년 건조 후에도 안정적인 개방형 채널을 유지하며 가스를 흡수하고 방출하는 3차원 MOF를 개발했다.
기타가와의 핵심 공헌은 MOF가 외부 자극(온도, 압력)에 반응하여 기공 크기를 가역적으로 조절하는 유연한 MOF(Flexible MOF)의 존재를 입증한 것이다. 이 현상은 마치 폐가 숨을 쉬듯 구조가 변형된다 하여 숨쉬기 거동(Breathing)이라고 불린다.
대표적인 예는 게이트 오프닝 효과(Gate-Opening Effect)이다. 유연한 MOF는 특정 기체 압력 이하에서는 기공이 닫혀있다가, 압력이 임계값을 초과하면 구조 자체가 변형되면서 기공이 활짝 열리는 형태로 전환된다. 이러한 능동적인 구조 변화는 MOF를 초고도의 선택적 흡착분리에 매우 유리하게 만들며, 기타가와는 2007년 연구에서 파동형 채널을 가진 MOF가 게스트 분자의 종류에 따라 특정한 기능을 수행하는 게스트 선택적 기능을 입증했다. 이는 MOF가 단순한 저장고를 넘어, 분자를 인식하고 반응하는 분자 스위치로서 작용할 수 있음을 의미한다.
MOF가 여는 지속 가능한 미래는?
MOF가 가진 압도적인 표면적과 조절 가능한 구조는 인류가 당면한 핵심 문제들을 해결하는 핵심 도구로 주목받고 있다.
이산화탄소 포집: MOF는 기후 변화 대응의 핵심인 이산화탄소 포집 기술에서 독보적이다. CALF-20과 같은 MOF는 낮은 농도의 CO2와 강력하게 상호작용하여 온실가스 배출을 획기적으로 줄일 잠재력을 가진다.
수소 저장: 수소 연료 차량의 상용화를 위한 고밀도 수소 저장 기술에도 MOF(예: NU-1501)가 최적화될 수 있다.
물 포집: MOF-303과 같은 물질은 극도로 건조한 사막의 공기 중 수증기를 밤에 흡착하고, 낮에 태양열로 가열되면 깨끗한 식수를 방출하여 , 전력 인프라가 부족한 지역의 수자원 부족 문제를 해결하는 혁신적인 솔루션을 제시한다.
PFAS 제거: '영원한 화학 물질'로 불리는 PFAS (과불화화합물)와 같은 난분해성 오염 물질을 물에서 흡수하는 데 UiO-67과 같은 MOF가 효과적임이 입증되었다.
촉매 및 분해: MOF는 단순히 흡착을 넘어, MIL-101과 같이 내부 공동에 오염 물질(원유, 항생제)의 분해를 촉진하는 효소나 금속 촉매를 캡슐화하여 비균질촉매 시스템으로 기능한다.
MOF는 조절 가능한 기공 크기를 활용하여 체내에서 의약품을 특정 목표 부위에 정확하게 전달하는 약물 전달 시스템으로 맞춤 제작될 수 있으며 , 과일에서 방출되는 숙성 호르몬인 에틸렌 가스를 포집하여 식품의 신선도를 연장하는 데도 활용된다.
대량생산과 상업화 숙제
롭슨, 기타가와, 야기의 연구는 수만 가지의 MOF 구조를 탄생시켰고 , 재료 과학의 한계를 확장했다. 그러나 이 혁신적인 기술이 학술적 성공을 넘어 산업적 파급 효과를 거두기 위해서는 규모 확장성(Scalability)과 수열 안정성(Hydrothermal Stability)이라는 난제를 극복해야 한다. MOF의 정밀한 합성을 대량 생산 과정에서 비용 효율적으로 구현하는 것이 상업화의 주요 과제이다.
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