중공 재료 - 과학자들이 2025년 노벨 화학상을 수상하는 데 도움이 되는 열쇠

(댄 트리) - 2025년 노벨 화학상은 금속-유기 구조를 발명하여 분자 수준에서 물질을 저장, 분리, 처리하는 기술의 새로운 시대를 연 세 명의 과학자에게 수여되었습니다.

10월 8일 오후, 스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2025년 노벨 화학상을 금속 유기 골격(MOF) 개발에 선구적으로 기여한 세 명의 과학자, 스스무 키타가와, 리처드 롭슨, 오마르 M. 야기에게 수여한다고 발표했습니다.

2025년 노벨 화학상을 수상한 3명의 과학자의 초상화.

노벨 총회에 따르면, 이는 완전히 새로운 재료 과학 언어 형성의 전환점입니다. 금속과 유기 화합물은 복잡하게 연결되어 분자를 저장, 분리, 변환할 수 있는 다공성 네트워크를 형성합니다. 이는 현대 에너지, 환경 및 화학 기술 분야에서 혁명적인 방향으로 여겨집니다.

금속과 유기물의 마법같은 조합

금속-유기 골격은 금속 이온이나 금속 클러스터가 유기 결합체에 규칙적이고 반복적인 구조로 연결되어 3차원 네트워크를 형성하는 결정 구조입니다.

금속 노드와 결합 분자 사이의 공간에는 큰 공극이 있어 이 소재는 매우 다공성이 높습니다. 기존의 고체 소재와 달리 금속-유기 골격체의 표면적은 그램당 수천 제곱미터에 달할 수 있습니다.

금속-유기 골격 내부의 중공 구조(사진: MOF Technologies).

2017년 케미스트리 월드(Chemistry World)와의 인터뷰에서 오마르 야기 교수는 일부 MOF의 기공률이 10,000m²/g(다른 다공성 물질보다 10배 더 큼)에 달할 수 있으며, MOF 1g은 미식축구장 두 개에 해당하는 내부 표면적을 가질 수 있다고 말했습니다. 이러한 특성 덕분에 MOF는 제올라이트나 실리카와 같은 다른 다공성 물질보다 훨씬 뛰어난 제어된 방식으로 분자를 흡착, 저장 또는 분리할 수 있습니다.

노벨 위원회에 따르면, 이들은 "자연에서 전례 없는 다공성을 지니면서도 결정 구조의 안정성과 지속가능성을 유지하는 물질"입니다. 유기 화합물의 유연성과 금속의 내구성을 결합하는 능력 덕분에 금속-유기 골격체는 21세기 화학의 가장 중요한 발명품 중 하나가 되었습니다.

아이디어에서 과학 혁명까지

금속 유기 구조체의 개발은 1980년대 후반 멜버른 대학(호주)의 리처드 롭슨이 최초로 실험한 데서 시작되어 30년이 넘는 세월에 걸쳐 진행되었습니다.

그는 최초의 금속-유기 골격 구조의 구축을 선도하며, 금속 이온을 유기 분자에 결합시키면 1차원, 2차원 또는 3차원으로 확장되는 결정 구조를 만들 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그러나 이러한 초기 물질들은 종종 불안정했고 용매나 고온에 노출되면 붕괴되었습니다.

금속 이온과 유기 분자는 조심스럽게 결합되어 금속 사면체 구조와 유사한 구조를 형성합니다(사진: 스웨덴 왕립 과학 아카데미).

1990년대 중반, 당시 교토 대학교에 재직 중이던 기타가와 스스무는 자신이 만든 금속-유기 결정 구조 내부로 기체가 침투하여 이동할 수 있음을 증명했습니다. 이는 고체 물질이 주변 환경과 동적으로 상호작용할 수 있다는 것을 처음으로 보여준 중요한 돌파구였습니다.

또한 이 시기에 미국의 젊은 화학자 오마르 M. 야기(Omar M. Yaghi)는 정밀하게 정의된 구조를 가진 안정적이고 열적으로 안정한 금속-유기 골격체를 생성하는 합성법을 개발했습니다. 그는 분자 구성 요소를 의도적으로 연결하여 미리 정해진 특성을 가진 결정 격자를 형성하는 접근법인 "망상 화학(reticular chemistry)" 개념의 토대를 마련했습니다.

야기가 만든 안정적인 물질인 MOF-5의 구조는 입방체 공간을 가지고 있습니다(사진: 스웨덴 왕립 과학 아카데미).

세 명의 과학자의 기여 덕분에 이 새로운 연구 분야는 현대 재료 화학의 독립적인 방향으로 발전했으며, 수만 개의 금속-유기 골격 구조가 합성되어 많은 첨단 기술 분야에 응용되었습니다.

세기의 발명의 확장된 응용

연구에 따르면, 금속 유기 골격은 "다공성이면서도 강한" 특성 덕분에 이전에는 고체 물질에서는 불가능했던 많은 역할을 수행할 수 있습니다.

노벨 위원회 보도자료에 따르면, 금속-유기 골격체는 다공성 구조에 이산화탄소를 흡착하고 저장하여 온실가스 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있다고 합니다. 일부 금속-유기 골격체는 건조한 사막 공기에서 수증기를 포집하여 공기 중 자연 습도만을 이용하여 태양에너지를 깨끗한 물로 전환할 수 있습니다. 이는 수자원이 부족한 지역에 특히 유용한 기술로 여겨집니다.

높은 표면적과 선택성 덕분에 MOF는 휘발성 유기 화합물을 걸러내고, 폐수에서 중금속이나 독성 화학물질을 제거하고, 헬륨이나 수소와 같은 비활성 기체를 분리하는 데에도 사용됩니다. 과학자들은 현재 에너지 저장을 위한 금속-유기 골격체, 특히 잠재적 청정 연료인 수소와 메탄을 연구하고 있습니다.

야기 연구실 구성원들(사진: 캘리포니아 대학교 버클리)

오마르 야기 교수가 2021년에 "신흥 분야에서 뛰어난 업적을 이룬 혁신가"(새로운 분야를 연구하는 과학자) 부문에서 VinFuture Prize를 수상했다는 점도 주목할 만합니다.

베트남은 녹색 전환을 촉진하고 에너지, 환경, 생물의학 산업을 위한 첨단 소재를 개발하고 있기 때문에 MOF에 대한 연구도 베트남의 잠재적인 개발 방향으로 여겨진다.

VinFuture InnovaConnect와 같은 프로그램을 통해 베트남 과학자들은 국제 연구 커뮤니티와 직접 소통하여 MOF, 차세대 배터리 또는 탄소 포집과 같은 새로운 분야에서 협력을 확대할 기회를 얻습니다.

첫 번째 VinFuture Prize 시상식에 참석한 오마르 야기 교수.

2025년 노벨상 발표 당시, 노벨 화학 위원회 위원장인 하이너 링케 교수는 다음과 같이 말했습니다.

"금속-유기 골격은 엄청난 잠재력을 가지고 있으며, 새로운 목적에 맞게 맞춤형 특성을 갖춘 엔지니어링 소재를 만드는 전례 없는 기회를 열어줍니다."

이러한 소재는 대기 오염, 기후 변화, 깨끗한 물 부족, 재생 에너지 저장과 같은 21세기 인류가 직면한 문제인 세계적 과제를 해결하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

2025년 노벨 화학상 메시지

2025년 노벨 화학상은 뛰어난 과학자 3명에게 수여될 뿐만 아니라, 재료 과학에 대한 새로운 사고방식과 심오한 메시지를 전달합니다. 즉, '공허함'은 더 이상 의미 없는 공백이 아니라 잠재력으로 가득 찬 것입니다.

과학적 관점에서 금속-유기 골격체의 발명은 물질 발견 에서 신소재 창조로의 전환을 의미합니다. 인간은 더 이상 자연에 전적으로 의존하지 않고, 특정 목적에 맞는 구조와 기능을 갖춘 새로운 소재를 설계할 수 있습니다.

금속-유기 골격의 영향력은 현재의 응용 분야에서만 그치지 않고, 공유 결합 유기 골격(COF) 및 제올라이트 이미다졸레이트 골격(ZIF)과 같은 차세대 소재의 개발을 위한 길을 열어주며, 이는 미래에 유사하거나 심지어 더 우수한 성능을 보일 것입니다.

다양한 유형의 MOF 구조가 합성되었으며, 각각은 고유한 기능을 수행합니다(사진: 스웨덴 왕립 과학 아카데미).

최초의 결정이 성장한 작은 연구실에서부터 독성 가스를 걸러내고, 공기에서 "물을 짜내고", 에너지를 저장할 수 있는 소재 시스템에 대한 비전에 이르기까지, 금속-유기 골격을 개발하기 위한 여정은 혁신, 학제 간 협업, 지속 가능한 가치 추구라는 현대 과학의 정신을 보여줍니다.

출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/vat-lieu-rong-chia-khoa-giup-cac-nha-khoa-hoc-gianh-nobel-hoa-hoc-2025-20251009215157748.htm