노벨화학상 기술, LG전자 차세대 공기청정기 필터에도 들어 있다

'분자 레고' '분자 건축물'이라 불리는
다공성 신소재 설계하고 실용성 높인
일본·호주·미국 과학자들에게 화학상
탄소 포집, 오염 정화, 약물 설계 등
"집 인테리어처럼 기능 맞춤 응용성"

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회가 8일 스톡홀름 카롤린스카 연구소에서 2025년 노벨화학상 수상자를 발표하고 있다. 모니터 속 사진 왼쪽부터 기타가와 스스무 일본 교토대 교수, 리처드 롭슨 호주 멜버른대 교수, 오마르 야기 미국 버클리 캘리포니아대 교수. AFP

올해 노벨화학상은 ‘분자 레고’로 불리는 신소재인 금속-유기 골격체(MOF·Metal-Organic Frameworks) 개발에 선구적 역할을 한 화학자 3명에게 공동 수여됐다. MOF는 공기 중 이산화탄소를 포집해 기후변화를 완화하거나 물속 유해물질을 분해해 환경을 정화하는 등 인류의 다양한 난제 해결에 기여하고 있다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 8일(현지시간) 기타가와 스스무(74) 일본 교토대 교수, 리처드 롭슨(88) 호주 멜버른대 교수, 오마르 야기(60) 미국 버클리 캘리포니아대 교수를 올해 노벨화학상 수상자로 선정했다고 발표했다. 노벨위원회는 “MOF 덕분에 새로운 기능을 지닌 맞춤형 물질을 만들 수 있는, 이전에는 예상하지 못했던 무수한 기회를 열였다”고 선정 이유를 밝혔다.

MOF는 금속 이온과 유기 분자가 결합해 만들어진 일종의 분자 건축물이다. 금속 이온이 건물 모서리의 주춧돌 역할을 하고, 긴 탄소 기반 유기 분자가 이 주춧돌을 엮는 연결고리가 된다. 금속 이온과 유기 분자가 조직적으로 결합해 형성된 결정체 내부에는 나노미터(nm) 크기의 구멍들이 생긴다. 그래서 표면적이 넓어질 뿐 아니라 구멍의 특성도 다양하게 변경할 수 있다. 야기 교수의 연구실에서 박사후연구원으로 일한 최경민 숙명여대 화공생명학부 교수는 “집을 설계할 때 가족 구성원의 수나 필요에 맞춰 인테리어가 달라지는 것처럼, MOF도 화학적 기능 설계에 따라 목표한 기체나 물질만 선택적으로 들어오게 할 수 있어 응용성이 높다”고 설명했다.

MOF 연구는 1989년 롭슨 교수의 실험에서 시작됐다. 그는 양전하를 띤 구리 이온에 네 개의 팔을 가진 유기 분자를 결합시켰다. 그 분자의 각 팔 끝에는 구리 이온에 붙을 수 있는 화학물질이 달려 있었다. 이들이 결합하자 구멍이 무수히 뚫린 다이아몬드 같은 질서정연한 결정이 만들어졌다. 롭슨 교수는 자신이 개발한 구조의 잠재력을 바로 알아차렸지만, 당시 MOF는 불안정하고 쉽게 무너졌다.

기타가와 스스무 일본 교토대 교수가 8일 교토에서 노벨화학상 수상 기념 기자회견을 하고 있다. 로이터 연합뉴스

이후 기타가와 교수와 야기 교수가 각각의 연구로 MOF의 실용성을 높였다. 기타가와 교수는 1992년 MOF의 빈 공간에 기체가 자유롭게 드나들 수 있음을 증명해 MOF가 유연하고 반응성이 높은 구조임을 밝혀냈다. 야기 교수는 1995년부터 분자의 결합 각도와 결정을 합리적으로 설계하는 방법을 제시해 MOF를 안정적이고 변형 가능한 구조체로 체계화했다.

수상자들의 연구를 기반으로 화학자들은 수만 개의 다양한 MOF를 개발했다. 독성 물질인 과불화화합물(PFAS)을 물에서 분리해 환경오염을 해결하고, 항암제나 항바이러스제를 감염 부위로 전달하는 표적 약물을 설계하는 것도 MOF 덕분에 가능했다. MOF는 최근 LG전자 공기과학연구소가 개발한 차세대 공기청정기 필터에도 적용되는 등 다양한 분야에서 활발하게 상용화가 진행 중이다.

한편 이날 기타가와 교수가 화학상을 받아 올해 일본은 노벨 과학상 수상자를 2명(생리의학상, 화학상) 배출하게 됐다. 6일 발표된 노벨생리의학상 수상자에는 사카구치 시몬 오사카대 석좌교수가 포함됐다. 이로써 일본의 화학상 수상자는 9명, 생리의학상 수상자는 6명으로 늘었다. 일본은 1949년을 시작으로 올해까지 총 31번째 노벨상을 가져갔다.

신혜정 기자 arete@hankookilbo.com