2025 노벨 화학상: 금속-유기 골격체(MOF)라는 새롭고 다재다능한 소재 개발
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-10-08 21:49:23
4분 읽기
- 1970년대 멜버른 대학교 화학과 교수 리처드 롭슨이 학생들에게 강의 준비하면서 시작
- 스스무 키타가와는 1997년 금속-유기 프레임워크가 투과성 채널을 포함하고 기체를 결합하거나 투과하도록 설계될 수 있다는 것을 발견
- MOF는 공기 중 CO2나 물을 포집하거나, 기체 저장등, 선택적 차단막 역할을 할 수 있다
- 금속-유기 골격체 개발의 다음 이정표는 1999년 오마르 야기(Omar Yaghi)에 의해 세워져
직접적인 공기 포집을 위한 이산화탄소 트랩, 물 추출 또는 정화 보조제, 또는 배터리의 전극 소재 등, 금속-유기 골격체의 고도로 다공성인 케이지 분자는 실용적일 뿐만 아니라 다재다능하다. 이 소재에 어떤 금속 이온과 유기 "지지대"가 포함되어 있는지에 따라 다양한 화학 물질을 선택적으로 저장하고 결합한다.
모든 것의 시작
2025년 노벨 화학상은 이 다재다능한 스캐폴딩 화합물을 개발한 세 명의 화학자, 기타가와 스스무, 리처드 롭슨, 그리고 오마르 야기에게 수여될 것이다. 이 발견의 이야기는 1970년대 멜버른 대학교 화학과 교수였던 리처드 롭슨이 학생들에게 강의를 준비하면서 시작됐다. 학생들은 미리 구멍을 뚫은 나무 구체와 막대로 분자 구조를 조립해야 했다.
연결 막대의 구멍은 원자와 분자의 종류에 따라 구체의 다른 위치에 위치해야 한다는 것이 분명해졌다. 롭슨은 원자의 고유한 특성이 생성되는 분자의 구조를 형성한다는 것을 깨달았다. 이로 인해 화학자는 다음과 같은 의문을 품게 되었다. 적절한 "구"와 구멍을 선택하는 것만으로 새롭고 맞춤형 분자 구조를 만들 수 있을까?
구리 이온과 니트릴에서
롭슨은 초기 실험을 위해 구리 이온을 "구"로 선택하고, 이를 한쪽 끝에 탄소와 질소의 삼중 결합을 가진 극성 화합물인 유기 니트릴과 결합시켰다. 니트릴 말단의 부분 전하로 인해, 이 구들은 자발적으로 배열되어 구리 이온 사이에 버팀대를 형성했다. 이는 다이아몬드와 유사한 격자 구조를 형성했지만, 버팀대 사이에 큰 공극이 존재했다.
롭슨은 이러한 다공성 골격의 잠재력을 인지했다. 그는 실험에서 골격 분자를 사용하여 다양한 화학 물질을 공극 안에 넣었다. 이러한 금속-유기 골격은 이온 교환기 역할도 할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 일부 이물질 이온을 다른 이온보다 더 잘 결합하기 때문에 화학 필터나 저장 매체로 사용할 수 있다. 롭슨은 1989년 이 새로운 종류의 물질에 관한 연구 결과를 발표했다. 그러나 그의 금속-유기 골격은 여전히 매우 불안정하고 견고하지 않았다.
채널과 유연한 프레임워크
이 부분에서 다른 두 노벨상 수상자의 업적이 빛을 발했다. 그들은 서로 독립적으로, 초기에는 2차원 구조였던 3차원 금속-유기 프레임워크의 새롭고 안정적인 변형체를 개발하여 이러한 분자 케이지의 완전히 새로운 특성과 장점을 입증했다.
교토 대학교의 스스무 키타가와는 1997년 금속-유기 프레임워크가 투과성 채널을 포함하고 기체를 결합하거나 투과하도록 설계될 수 있다는 것을 발견했다. 또한 이 화학자는 단단하지 않고 유연하고 유연한 케이지 분자를 최초로 개발했다. 1998년, 키타가와는 매우 다른 기본 구성 요소로부터 안정적인 프레임워크 분자를 어떻게 생성할 수 있는지 설명했으며, 이는 이 재료의 엄청난 응용 가능성을 더욱 높였다.
MOF-5 – 만능 재료
금속-유기 골격체 개발의 다음 이정표는 1999년 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 오마르 야기(Omar Yaghi)에 의해 세워졌다. 이 화학자는 오늘날까지도 획기적인 것으로 평가받는 골격체 분자 MOF-5를 개발했다. 산화아연 이온과 고분자 테레프탈레이트 사슬로 구성된 이 화합물은 최대 300°C의 온도에서도 안정적이며, 특히 큰 공극을 형성한다.
2000년대 초, 야기와 그의 연구팀은 메탄가스를 저장하거나 대기 중 수증기를 포집할 수 있는 골격 화합물을 개발했다. 예를 들어 사막 지역에서 식수를 생산하는 데 사용할 수 있다.
"막대한 잠재력"
현재 수만 가지의 다양한 금속-유기 골격체가 존재하며, 그 잠재력은 결코 고갈되지 않았다. 이 골격체들은 PFAS나 살충제와 같은 유해 화학 물질을 물과 공기에서 정화하고, 대기 중 온실가스를 포집하고, 수소와 같은 기체 자원을 이동 가능한 형태로 변환하는 데 도움을 줄 수 있다.
노벨 화학상 위원회 위원장인 하이너 링케는 "금속-유기 골격은 엄청난 잠재력을 가지고 있으며, 새로운 기능을 가진 맞춤형 소재에 대한 이전에는 상상할 수 없었던 가능성을 열어준다"고 말했다.
출처: 스웨덴 왕립 과학 아카데미
- 1970년대 멜버른 대학교 화학과 교수 리처드 롭슨이 학생들에게 강의 준비하면서 시작
- 스스무 키타가와는 1997년 금속-유기 프레임워크가 투과성 채널을 포함하고 기체를 결합하거나 투과하도록 설계될 수 있다는 것을 발견
- MOF는 공기 중 CO2나 물을 포집하거나, 기체 저장등, 선택적 차단막 역할을 할 수 있다
- 금속-유기 골격체 개발의 다음 이정표는 1999년 오마르 야기(Omar Yaghi)에 의해 세워져
금속-유기 골격체 노벨 화학상
세 명의 화학자가 완전히 새롭고 다재다능한 소재를 발명한 방법
2025년 노벨 화학상은 금속-유기 골격체(MOF)라는 새롭고 다재다능한 소재를 개발한 세 명의 화학자에게 수여될 예정이다. 금속 이온과 유기 분자 사슬로 이루어진 이 다공성 복합체는 케이지 형태의 공동을 형성하여 다른 화학 물질을 가둘 수 있다. 이를 통해 MOF는 공기 중 이산화탄소나 물을 포집하거나, 기체를 저장하거나, 선택적 차단막 역할을 할 수 있다.
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▲ 2025년 노벨 화학상은 금속 유기 골격을 발견한 사람들에게 수여된다. © Johan Jarnestad/스웨덴 왕립 과학 아카데미 |
직접적인 공기 포집을 위한 이산화탄소 트랩, 물 추출 또는 정화 보조제, 또는 배터리의 전극 소재 등, 금속-유기 골격체의 고도로 다공성인 케이지 분자는 실용적일 뿐만 아니라 다재다능하다. 이 소재에 어떤 금속 이온과 유기 "지지대"가 포함되어 있는지에 따라 다양한 화학 물질을 선택적으로 저장하고 결합한다.
모든 것의 시작
2025년 노벨 화학상은 이 다재다능한 스캐폴딩 화합물을 개발한 세 명의 화학자, 기타가와 스스무, 리처드 롭슨, 그리고 오마르 야기에게 수여될 것이다. 이 발견의 이야기는 1970년대 멜버른 대학교 화학과 교수였던 리처드 롭슨이 학생들에게 강의를 준비하면서 시작됐다. 학생들은 미리 구멍을 뚫은 나무 구체와 막대로 분자 구조를 조립해야 했다.
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▲ 다재다능하고 다재다능한 금속-유기 골격. © Johan Jarnestad/ 스웨덴 왕립 과학 아카데미 |
연결 막대의 구멍은 원자와 분자의 종류에 따라 구체의 다른 위치에 위치해야 한다는 것이 분명해졌다. 롭슨은 원자의 고유한 특성이 생성되는 분자의 구조를 형성한다는 것을 깨달았다. 이로 인해 화학자는 다음과 같은 의문을 품게 되었다. 적절한 "구"와 구멍을 선택하는 것만으로 새롭고 맞춤형 분자 구조를 만들 수 있을까?
구리 이온과 니트릴에서
롭슨은 초기 실험을 위해 구리 이온을 "구"로 선택하고, 이를 한쪽 끝에 탄소와 질소의 삼중 결합을 가진 극성 화합물인 유기 니트릴과 결합시켰다. 니트릴 말단의 부분 전하로 인해, 이 구들은 자발적으로 배열되어 구리 이온 사이에 버팀대를 형성했다. 이는 다이아몬드와 유사한 격자 구조를 형성했지만, 버팀대 사이에 큰 공극이 존재했다.
롭슨은 이러한 다공성 골격의 잠재력을 인지했다. 그는 실험에서 골격 분자를 사용하여 다양한 화학 물질을 공극 안에 넣었다. 이러한 금속-유기 골격은 이온 교환기 역할도 할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 일부 이물질 이온을 다른 이온보다 더 잘 결합하기 때문에 화학 필터나 저장 매체로 사용할 수 있다. 롭슨은 1989년 이 새로운 종류의 물질에 관한 연구 결과를 발표했다. 그러나 그의 금속-유기 골격은 여전히 매우 불안정하고 견고하지 않았다.
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▲ 스스무 키타가와가 최초의 유연한 금속-유기 골격을 제작다. © Johan Jarnestad/ 스웨덴 왕립 과학 아카데미 |
채널과 유연한 프레임워크
이 부분에서 다른 두 노벨상 수상자의 업적이 빛을 발했다. 그들은 서로 독립적으로, 초기에는 2차원 구조였던 3차원 금속-유기 프레임워크의 새롭고 안정적인 변형체를 개발하여 이러한 분자 케이지의 완전히 새로운 특성과 장점을 입증했다.
교토 대학교의 스스무 키타가와는 1997년 금속-유기 프레임워크가 투과성 채널을 포함하고 기체를 결합하거나 투과하도록 설계될 수 있다는 것을 발견했다. 또한 이 화학자는 단단하지 않고 유연하고 유연한 케이지 분자를 최초로 개발했다. 1998년, 키타가와는 매우 다른 기본 구성 요소로부터 안정적인 프레임워크 분자를 어떻게 생성할 수 있는지 설명했으며, 이는 이 재료의 엄청난 응용 가능성을 더욱 높였다.
MOF-5 – 만능 재료
금속-유기 골격체 개발의 다음 이정표는 1999년 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 오마르 야기(Omar Yaghi)에 의해 세워졌다. 이 화학자는 오늘날까지도 획기적인 것으로 평가받는 골격체 분자 MOF-5를 개발했다. 산화아연 이온과 고분자 테레프탈레이트 사슬로 구성된 이 화합물은 최대 300°C의 온도에서도 안정적이며, 특히 큰 공극을 형성한다.
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▲ 오마르 야기가 다재다능하고 다목적인 골격인 MOF-5를 개발했다. © Johan Jarnestad/ 스웨덴 왕립 과학 아카데미 |
2000년대 초, 야기와 그의 연구팀은 메탄가스를 저장하거나 대기 중 수증기를 포집할 수 있는 골격 화합물을 개발했다. 예를 들어 사막 지역에서 식수를 생산하는 데 사용할 수 있다.
"막대한 잠재력"
현재 수만 가지의 다양한 금속-유기 골격체가 존재하며, 그 잠재력은 결코 고갈되지 않았다. 이 골격체들은 PFAS나 살충제와 같은 유해 화학 물질을 물과 공기에서 정화하고, 대기 중 온실가스를 포집하고, 수소와 같은 기체 자원을 이동 가능한 형태로 변환하는 데 도움을 줄 수 있다.
노벨 화학상 위원회 위원장인 하이너 링케는 "금속-유기 골격은 엄청난 잠재력을 가지고 있으며, 새로운 기능을 가진 맞춤형 소재에 대한 이전에는 상상할 수 없었던 가능성을 열어준다"고 말했다.
출처: 스웨덴 왕립 과학 아카데미
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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