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[IT뉴스][노벨상 2025] '기후위기' 해결할 분자 구조 개발한 과학자 3명 화학상(2보)

온카뱅크관리자

2025-10-08 19:27:28

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 2025년 노벨 화학상을 수상한 기타가와 스스무 일본 교토대 명예교수, 리처드 롭슨 호주 멜버른대 교수, 오마르 야기 미국 버클리캘리포니아대(UC버클리) 교수(왼쪽부터). 위키미디어, 멜버른대 제공.
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 올해 노벨 화학상은 새로운 형태의 분자 구조인 '금속유기 골격체(MOF·MetalOrganic Framework)'를 개발한 과학자 3명에게 돌아갔다. MOF는 철, 아연, 마그네슘과 같은 금속 이온과 유기 리간드가 결합해 형성된 다공성 물질을 말한다. 유기 리간드는 금속 이온과 결합해 복합체를 형성하는 유기 분자를 말한다. 
 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 8일(현지시간) 2025년 노벨화학상 수상자로 요르단 출생 오마르 야기(60) 미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 교수, 일본 출생 기타가와 스스무(74) 일본 교토대 명예교수, 영국 출생의 리처드 롭슨(88) 호주 멜버른대 교수를 선정했다고 발표했다. 
 노벨위원회는 “이들의 연구는 원자와 분자가 결합하는 방식을 근본적으로 확장시켜, 인류가 원하는 성질의 물질을 ‘설계’할 수 있는 시대를 열었다”고 평가했다.
 MOF는 금속 이온과 유기 분자를 결합시켜 형성한 다공성 결정 구조를 갖는다. 금속 이온은 긴 유기(탄소 기반) 분자에 의해 연결되어 ‘주춧돌’처럼 작용한다. 그 결합으로 이루어진 구조에는 규칙적으로 배열된 거대한 공동(pore)이 생긴다. 덕분에 MOF는 스펀지처럼 속이 빈 구조를 가지면서도 매우 안정적이다. 
 다공성은 구멍 때문에 물질의 표면적이 넓어 다른 분자들과 더 많이 반응할 수 있다.  표면적이 커 반응성이 높아야 하는 촉매를 만들기 유리하고 내부에 이온과 분자를 담을 수 있어 여러 분야에 응용될 것으로 기대받는 신소재다. MOF가 특별히 주목받는 이유는 '인류가 금속-유기물의 삼차원 구조와 특성을 정밀하게 설계하고 합성한 최초의 다공성 물질'이기 때문이다. 
 MOF는 기후위기 대응을 위한 '게임 체인저'로 불린다. 이산화탄소 포집에 활용될 수 있어서다. MOF를 활용해서 대기 중의 이산화탄소를 빠르게 포집할 수 있다면 기후위기에 대처할 수 있는 강력한 무기가 된다. 또한 가스 저장, 수소 연료 저장처럼 에너지 분야를 포함한 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있다. 
 MOF 연구의 시작은 1989년 롭슨 교수의 실험에서 시작됐다. 그는 양전하를 띤 구리 이온에 네 개의 팔을 가진 유기 분자를 결합시켰다. 개발한 분자의 각 팔 끝에 구리 이온에 결합할 수 있는 작용기가 달려 있다. 이런 조합으로 구멍이 무수히 뚫린 다이아몬드 같은 결정을 만들었다. 롭슨 교수는 개발한 구조의 잠재력을 즉시 알아차렸지만 당시의 MOF는 불안정해 쉽게 붕괴되는 단점이 있었다.
 이후 1990년대 초~2000년대 초 기타가와 교수와 오마르 야기 교수가 각각의 연구를 통해 롭슨 교수가 만든 구조를 실용적이고 견고한 시스템으로 발전시켰다. 키타가와 교수는 1992년, MOF의 틈을 따라 기체가 자유롭게 드나들 수 있음을 증명했다. MOF가 ‘닫힌 결정’이 아니라 유연하고 반응성이 높은 구조임을 보여준 첫 사례였다.
 야기 교수는 1995년 이후 분자의 결합 각도와 결정을 합리적으로 설계(logical design)하는 방법을 제시해 MOF를 안정적이고 변형 가능한 구조체로 만들어냈다. 야기 교수는 처음으로 MOF의 개념을 정립하고 설계 원리를 체계화한 인물인 셈이다. 
 유기 리간드는 금속 이온에 전자쌍 전체를 제공하는 '배위결합'을 통해 화학 결합을 이룬다. 배위결합의 강도와 금속-유기 리간드의 결합 수에 따라 만들고자 하는 다공성 물질의 형태를 조절할 수 있는데 이를 활용해 야기 교수는 안정적인 MOF 제작에 성공한 것이다. 
 수상자들의 획기적인 발견 이후 화학자들은 수만 개의 다양한 MOF를 개발했다. 이 중 일부는 인류가 직면한 가장 큰 과제 중 일부를 해결하는 데 기여할 수 있다고 평가된다. 물에서 PFAS(과불화화합물)를 분리하고 환경 속 미량의 의약품을 분해하고 이산화탄소를 포집하고 사막 공기에서 물을 얻는 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 
 올해 노벨 화학상 수상자들은 메달, 증서와 함께 상금 1100만 스웨덴 크로나(약 16억5500만원)를 3분의 1씩 나눠 갖는다. 상금은 스웨덴 과학자 알프레드 노벨이 남긴 유산을 투자한 금액으로 시상식은 오는 12월 스웨덴 스톡홀름에서 열린다.
 [이채린 기자 rini113@donga.com]
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