올해 노벨 화학상은 기체와 화학 물질을 담아 원하는 기능을 수행하도록 정교하게 설계된 분자 구조물을 개발한 3명의 석학에게 돌아갔다.
이들이 개발한 ‘금속·유기 골격체(MOF)’는 기후 변화 대응, 수자원 확보 등 인류의 난제를 해결할 획기적인 물질로 평가받으며 ‘맞춤형 소재’의 신세계를 열어젖혔다는 평가를 받고 있다. 마치 공상과학(SF) 영화처럼 사막의 대기에서 물을 만들어내거나, 지구온난화의 원인인 이산화탄소를 포집할 수 있도록 하는 근간 기술을 개발해냈다.
스웨덴 카롤린스카야 의학연구원의 노벨상위원회는 8일 기타가와 스스무 일본 교토대 교수, 리처드 롭슨 호주 멜버른대 교수, 오마르 야기 미국 UC버클리 교수를 올해 노벨 화학상 공동 수상자로 선정했다고 발표했다.
노벨상위원회는 “올해 노벨화학상 수상자들은 기체와 다른 화학 물질이 흐를 수 있는 큰 공간을 가진 MOF라는 분자 구조물을 만들었다”며 “이는 사막 공기에서 물을 채집하거나, 이산화탄소를 포집하거나, 유독 가스를 저장하거나, 화학 반응을 촉매하는 데 사용될 수 있는 혁신적인 물질”이라고 수상 이유를 설명했다.
MOF는 금속 이온과 유기 분자가 결합해 만들어진 일종의 분자 건축물이다. 이 구조의 핵심 원리는 금속 이온이 건물 모서리의 주춧돌 역할을 하고, 긴 탄소 기반 유기 분자가 이 주춧돌들을 엮는 연결고리가 된다는 점이다. 금속 이온과 유기 분자가 조직적으로 결합해 형성된 결정체 내부에는 넓은 공동 또는 구멍들이 존재하는데, 이 다공성 물질이 바로 MOF다. 이 공동이 마치 화학 반응이나 물질 저장을 위한 일종의 방처럼 기능하는 것이다.
이같은 올해 노벨화학상 수상자들의 연구성과 덕택에 화학자들은 MOF라는 방을 구성하는 벽돌이라고 할 수 있는 금속 이온과 유기 분자를 다양하게 조합함으로써 특정 물질을 포획하고 저장하도록 맞춤 설계할 수 있게 됐다.
올해 수상자들의 성과에 대해 하이네르 링케 노벨화학위원회 의장은 “MOF는 이전에 예측하지 못했던 새로운 기능을 가진 맞춤형 물질에 대한 기회를 제공하는 막대한 잠재력을 가지고 있다”고 강조하기도 했다.
실제로 MOF는 저장 기능을 넘어 화학 반응을 유도하는 촉매 역할을 하거나, 전기를 전도하는 기능까지 갖췄다. 이는 기존 물질이 가지기 어려웠던 기능을 분자 차원에서 자유롭게 설계할 수 있는 새로운 물질 설계 패러다임을 제시했다는 데 의의가 있다.
◆롭슨의 ‘불안정한 다이아몬드’에서 시작된 30년 혁명…상업화 가능성까지 확보
MOF 개발은 1989년 롭슨 교수가 원자 고유의 특성을 활용해 양전하를 띤 구리 이온과 4개의 팔을 가진 분자를 결합하면서 시작됐다. 이 유기 분자는 각 팔 끝에 구리 이온에 이끌리는 화학 그룹을 갖고 있었다.
구리 이온과 분자가 결합하자 잘 정돈되고 넓은 공간을 가진 결정체가 형성됐다. 마치 수많은 공동으로 가득 찬 다이아몬드와 같은 구조가 구현된 것이다.
롭슨 교수는 형성된 분자 구조의 잠재력을 곧바로 인지했으나, 초기 구조는 불안정해 쉽게 무너지는 한계를 안고 있었다. 이 난제를 해결하고 MOF를 실용화의 단계로 끌어올려 확고한 토대를 마련한 인물이 스스무 교수와 야기 교수다. 이들은 1992년부터 2003년 사이에 각자 독립적으로 혁신적인 발견들을 이뤄냈다.
스스무 교수는 MOF 구조물 안팎으로 기체가 원활하게 흐를 수 있음을 실험적으로 보여줬고, 나아가 MOF가 외부 자극에 따라 구조를 바꿀 수 있는 유연성을 가질 수 있다는 사실을 예측하며 연구의 새로운 지평을 열었다.
뒤이어 야기 교수는 안정적인 MOF를 만드는 데 성공해 상업화 가능성을 크게 높였다. 또한, 그는 MOF를 ‘합리적 설계’를 이용해 수정함으로써 원하는 새로운 속성을 부여할 수 있다는 것을 입증했다. 이 안정성과 설계 원리의 확립이 MOF를 학문적 호기심을 넘어 실제 응용 분야로 확장하는 결정적인 계기가 됐다.
◆환경 정화부터 수자원 확보까지…인류 난제 해결하는 ‘첨병’ 역할 기대
세 수상자가 MOF라는 혁신을 발견한 이후 화학자들은 현재까지 수만 가지의 다양한 MOF를 설계하고 구축했다. 이 MOF들은 이미 다양한 분야에서 인류의 가장 큰 도전 과제를 해결하는 데 기여할 잠재력을 보이고 있다.
가장 대표적인 응용 분야는 지구온난화 대응의 핵심 기술인 이산화탄소 포집이다. 이외에도 유독 가스를 안전하게 저장하거나, 대기 중 수증기를 응축시켜 사막 공기에서 물을 채집하는 기술 등에도 활용될 수 있다.
또 최근 연구에서는 MOF가 물에서 PFAS(과불화화합물)를 분리하거나, 환경 속 미량의 의약품 잔여물을 분해하는 환경 정화 기술에도 활용되면서 그 응용 범위가 지속해서 확장되고 있다.
이처럼 MOF 기술은 물질의 구조를 원자 수준에서 설계하고, 그 기능을 맞춤형으로 구현함으로써 화학, 환경, 에너지, 의학 등 다양한 분야에서 혁신적인 가능성을 열어젖혔다.
김자헌 숭실대 화학과 교수는 “고체 화합물은 설계가 상당히 까다로운데, 화합물이 어떤 기능을 발휘하려면 구조와 기능을 함께 고려한 디자인이 필요하다. 올해 수상자인 야기 교수나 스스무 교수는 고체 화합물의 물질을 설계할 수 있는 규칙을 계속해서 적립해오신 분들”이라며 “화학이라는 분야에 있어 융합적인 새로운 분야를 개척하고, 이를 통해 굉장히 다양한 분야에서 파급 효과를 거두고 있다는게 중요한 기회라고 생각한다”고 강조했다.
한편 이날 노벨화학상을 마지막으로 올해 과학 분야 노벨상 수상은 모두 마무리됐다. 노벨생리의학상은 ‘말초 면역 관용’을 연구한 미국의 매리 브런코와 프레드 람스델, 일본의 사카구치 시몬이 선정됐고, 노벨물리학상은 양자역학 분야의 핵심 연구를 이끈 미국의 존 클라크, 미셸 데보레, 존 마티니스가 수상의 영예를 안았다. 특히 일본의 경우 올해 생리학상과 화학상에서 모두 수상자를 배출해내며 기초과학 역량을 과시하기도 했다.
올해 노벨상 시상은 9일 문학상, 10일 평화상, 13일 경제학상으로 모두 마무리될 예정이다.
