화학의 경계를 넓힌 '금속-유기 골격체', 노벨 화학상 영예(종합)

금속과 유기 분자를 결합해 만든 다공성 물질 'MOF'
기타가와 스스무(일본)·리처드 롭슨(호주)·오마르 야기(미국) 3인 공동 수상

2025년 노벨 화학상은 분자 단위에서 공간을 설계해 전혀 새로운 물질세계를 연 세 과학자에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학한림원 노벨위원회는 8일(현지시간) 기타가와 스스무 일본 교토대 교수, 리처드 롭슨 호주 멜버른대 교수, 오마르 야기 미국 UC버클리대 교수를 올해 노벨 화학상 수상자로 선정했다고 발표했다.

올해 노벨화학상은 금속·유기 골격체를 개발한 기타가와 스스무 일본 교토대 교수(왼쪽부터), 리처드 롭슨 호주 멜버른대 교수, 오마르 M. 야기 미국 UC버클리대 교수 등 3인에게 돌아갔다. 연합뉴스 제공

올라프 스트룀 노벨위원회 위원장은 "올해의 수상은 '구멍이 많은 이야기(a story full of holes)'이지만, 그 안은 인류의 상상력으로 가득 차 있다"면서 "세 수상자의 발견은 비어 있는 공간을 활용해 화학의 경계를 넓힌 업적"이라고 평가했다.

이들이 개발한 '금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks·MOFs)'는 금속 이온과 유기 분자를 결합해 만든 새로운 형태의 다공성 물질이다.

노벨위원회는 "이들의 연구는 화학이 새로운 차원의 공간을 창조할 수 있음을 보여줬다"면서 "MOF는 금속 이온을 구조의 모서리, 유기 분자를 연결선으로 삼아 형성된 정교한 3차원 결정 구조"라고 설명했다.

이 구조의 핵심은 '빈 공간'이다. 수 나노미터(㎚) 크기의 규칙적인 기공(빈자리)이 내부에 형성돼 있어, 기체 분자나 이온이 그 안에 들어가거나 머물 수 있다. 이 덕분에 MOF는 이산화탄소 포집, 수소 저장, 수분 흡착, 약물 전달, 환경 정화 등 다양한 분야에서 응용된다.

위원회는 "이 물질은 사막의 공기에서 수분을 포집해 식수를 얻고, 산업 배출가스에서 이산화탄소를 선택적으로 제거하며, 유독 물질을 안전하게 저장할 수 있다"면서 "이들의 발견은 화학의 새로운 가능성을 열었다"고 밝혔다.

비어 있지만 견고한 결정체, 금속-유기 골격체의 탄생

리처드 롭슨 교수는 1980년대 후반, 금속 이온과 유기 분자를 규칙적으로 연결해 '무한히 확장되는 격자 구조(network)'를 만들 수 있다는 개념을 처음 제시했다. 그의 접근법은 '망상 기반(net-based)' 설계라 불리며, 이후 MOF 구조 설계의 이론적 토대가 됐다.

기타가와 스스무 교수는 이런 구조가 실제로 기체를 흡착하고 방출할 수 있는 다공성을 지녔음을 1997년 처음으로 입증했다. 그는 물 분자를 제거해도 구조가 붕괴하지 않는 안정적인 MOF를 합성하며, "비어 있지만 견고한 결정체"라는 새로운 물질 개념을 정립했다.

오마르 야기 교수는 MOF의 구조적 한계를 뛰어넘어, 안정성과 표면적을 획기적으로 높인 'MOF-5'를 개발했다. 1g의 MOF가 축구장 하나에 맞먹는 표면적을 가질 정도였다. 그는 또 '망상 화학(Reticular Chemistry)'이라는 개념을 확립해, 분자 구성 요소를 레고 블록처럼 조립해 원하는 구조와 기능을 가진 물질을 설계할 수 있는 체계를 제시했다.

노벨위원회는 "이들의 연구 이후 전 세계 화학자들이 수만 종의 MOF를 합성해 왔으며, 일부는 탄소 포집·물 정화·청정에너지 분야에서 이미 활용되고 있다"고 밝혔다.

한국 연구자들 "MOF, 화학의 경계를 넓힌 발견"

한국 화학계도 이번 수상을 "화학의 경계를 넓힌 발견"이라고 평가했다.

주상훈 서울대 화학부 교수는 "MOF는 엄청난 비표면적을 가진 다공성 물질로, 이산화탄소 같은 온실가스를 선택적으로 포집할 수 있다"면서 "그 응용성이 무궁무진하며, 세 수상자는 그 가능성을 열어젖힌 선구자들"이라고 말했다.

오마르 야기 교수와 함께 연구했던 김자헌 숭실대 교수는 "야기 교수의 수상은 예견된 결과였다"면서 "야기 교수의 가장 큰 공헌은 분자 단위의 설계 원리, 즉 '망상 합성(reticular synthesis)'을 정립한 것이고, 이는 제올라이트(zeolite)를 대체할 수 있는 새로운 다공성 물질의 가능성을 열었다"고 설명했다.

노벨상의 메달 앞뒷면. 아시아경제 DB.

김 교수는 또 "MOF는 내부의 벤젠 고리 구조가 노출돼 분자 간 당기는 인력이 극대화된다"면서 "기체 흡착 능력이 탁월하지만 제조비용이 높고, 공정에 필요한 에너지가 많은 한계가 있다"고 지적했다. 그러면서 "그러나 제약, 촉매 등 비교적 온화한 반응 조건을 다루는 분야에서는 이미 상용화가 이뤄지고 있으며, 일본과 유럽의 연구소에서 활발히 활용되고 있다"고 덧붙였다.

UC버클리 박사후연구원 출신으로 오마르 교수의 제자인 최경민 숙명여대 교수는 "MOF는 분자 단위에서 설계된 아파트처럼, 기공의 크기와 내부 구조를 자유롭게 조정할 수 있는 물질"이라면서 "설계와 합성, 응용이 밀접하게 연결된 분야"라고 했다.

최 교수는 "국내에서도 MOF 상용화가 진행되고 있다"면서 "LG전자의 공기청정 필터에 MOF 소재가 적용돼 냄새와 유해가스 제거 성능이 대폭 개선됐다. 내년에는 적용 범위를 확대할 것으로 안다"고 전했다. 또 "MOF는 재생 온도가 60~100℃로 낮아 에너지 소모가 적고, 탄소 저감 효과도 크다"면서 "이번 노벨상은 MOF의 산업화를 가속화하는 계기가 될 것"이라고 전망했다.

김자헌 교수는 "야기 교수는 금속 없이도 공유결합만으로 고성능 결합체를 설계할 수 있는 'COF(Covalent Organic Framework)' 개념을 제시했고, 화학과 재료과학의 경계를 넘은 융합적 연구자였다"고 평가했고, 주상훈 교수도 "이번 수상은 기초화학이 환경공학과 융합해 사회적 문제 해결에 기여한 사례"라면서 "MOF 연구는 탄소중립 시대의 핵심 기술로 성장할 것"이라고 기대했다.

이번 수상으로 일본은 올해 생리의학상(오사카대 사카구치 시몬 교수)에 이어 화학상까지 배출하게 됐다.

시상식은 오는 12월 스웨덴 스톡홀름에서 열리며, 수상자들은 상금 1100만 스웨덴크로나(약 16억5000만원)를 나눠 갖는다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr