'1g에 축구장 하나' 금속유기골격체(MOF)가 연 미래
이산화탄소 포집·촉매·환경 정화 등
2025년 노벨 화학상은 금속유기골격체(MOF)를 개발한 기타가와 스스무(일본), 리처드 롭슨(호주), 오마르 야기(미국) 세 명의 과학자에게 돌아갔다. 이들은 분자 내부에 '거대한 공간'을 창조해, 화학 반응의 새로운 지평을 열었다는 평가를 받는다.
MOF는 금속 이온과 이를 연결하는 유기 리간드가 결합해 만들어진 다공성 결정체다. 내부에 미세한 구멍이 수없이 뚫려 있어, 1g의 물질 안에 축구장 하나에 맞먹는 표면적이 형성된다. 이 구조 덕분에 특정 기체를 포집하거나 저장할 수 있고, 자체적으로 화학 반응을 일으키거나 전기를 전달하는 등 응용 가능성이 무궁무진하다.
롭슨은 1989년, 다이아몬드 결정 구조에서 영감을 얻어 구리 이온과 네 개의 팔을 가진 유기 분자를 결합한 질서정연한 결정체를 처음 합성했다. 이는 최초의 MOF로 기록됐다.
다만 초기 구조는 불안정해 주목받지 못했다. 이후 기타가와와 야기가 안정적 구조와 응용 가능성을 입증하며 연구의 전환점을 마련했다. 기타가와는 구리 이온을 기둥으로 한 구조를 설계해, 기체가 내부 채널을 자유롭게 드나들 수 있음을 보여줬다.
야기는 300도에서도 형태를 유지하는 안정적 구조체인 'MOF-5'를 개발하고 'MOF'라는 용어를 처음 제안했다. 이 물질은 메탄이나 수증기 등 각종 기체를 대량 흡수할 수 있어, 에너지 저장과 물 생산 연구에 큰 영향을 미쳤다.
이들의 연구 이후 화학자들이 합성한 MOF는 수만 종에 달한다. 일부는 이미 상용화돼 수증기 포집, 항생제 분해, 오염물질 제거 등에 활용되고 있다.
국내에서도 MOF 기술은 빠르게 적용되고 있다. LG전자는 최근 공기청정기 필터에 MOF를 도입했고 연구 현장에서는 PFAS(과불화화합물) 분리나 미량 의약품 분해,사막 공기에서의 수분 추출 등 다양한 실험이 이어지고 있다.
아직 제조비용이 높아 전면적인 상용화는 더디지만, 이산화탄소 포집 등에서 실제 성과를 내며 기후변화 극복의 열쇠로 주목받고 있다. 노벨화학상 수상자 기타가와 스스무 교수는 "흥미 갖고 도전한 것이 성공 비결"이라고 소감을 밝혔다.