20세기 초 노벨재단이 설립된 이후일 20세기 동안 1,026명의 수상자들이 인류 발전에 기여한 공로를 인정받아 6개 부문에 걸쳐 권위 있는 상을 받았습니다. 이 상은 마리 퀴리부터 알베르트 아인슈타인, 닐스 보어에 이르기까지 X선, 페니실린, 체외수정, 코로나19 백신의 기본 기술 등 현대 시대의 가장 위대한 발견을 제공한 세계에서 가장 뛰어난 인재들을 인정하는 과학 발전의 척도 역할을 했습니다. 2025년의 수상자들도 다르지 않습니다. 양자역학의 선구자, 헝가리의 문학 묵시록의 대가, 자가면역 장애와 암에 대한 인간의 이해를 깨뜨릴 수 있는 면역체계 과학의 조율사 등이 수상자로 선정되었습니다.
그러나 아마도 올해의 수상자 중 노벨 화학상 수상자만큼 인류에게 중대한 영향을 미칠 수 있는 사람은 없을 것입니다. 그의 금속-유기 구조 개발은 기후 변화와 해양 오염에서 약물 전달에 이르기까지 전 세계의 일부 환경 과학적 과제에 대한 판도를 바꿀 수 있을 수 있습니다. 교토 대학, UC 버클리, 멜버른 대학의 국제 연구자 그룹인 기타가와 스스무(Susumu Kitagawa), 오마르 야기(Omar Yaghi), 리차드 롭슨(Richard Robson)에게 수여된 이 상은 분자 화학에서 가장 흥미로운 발전 중 하나인 금속-유기 골격(MOF)으로 알려진 분자 사이의 큰 기공이 있는 새로운 형태의 분자 구조의 발명을 인정한 것입니다. 이산화탄소나 수질 오염 물질과 같은 유해 물질부터 사막 공기의 물 분자 포획에 이르기까지 다양한 물질을 포획하고 저장합니다.
판도를 바꾸는 발견
간단히 말해서, 금속-유기 골격은 동굴 같은 다이아몬드 같은 구조를 형성하는 유기 물질에 의해 서로 결합된 극도로 다공성인 금속 이온 네트워크로 형성된 결정질 물질입니다. 이러한 구조의 높은 다공성은 필수적입니다. MOF의 최대 90%는 자유 부피입니다. 즉, 엄지손가락과 집게손가락 사이의 공간을 채우기에 충분한 1g의 분말이 축구장보다 더 많은 표면적을 가질 수 있음을 의미합니다. 이러한 광대한 내부 공간은 MOF를 제올라이트 및 메조다공성 실리카보다 흡수성이 뛰어나게 만들고 가스 저장에서 약물 전달에 이르기까지 MOF에 다양한 응용 분야를 제공합니다.
이 과정은 1989년 Richard Robson이 구리 이온으로 다이아몬드와 같은 분자 구조를 형성하는 실험을 시작하면서 시작되었습니다. 피라미드 구조로 이루어진 이 넓고 스펀지 같은 결정은 무수히 많은 큰 구멍을 갖고 있으며 일련의 혁명적인 발견을 위한 구성 요소를 형성했습니다. Robson의 초기 실험 이후 Kitagawa와 Yaghi는 이러한 분자 구조의 가능성을 확장했습니다. 예를 들어 Kitagawa는 가스가 어떻게 MOF를 통해 흐를 수 있을 뿐만 아니라 유기 골격에 결합하지 않고도 그렇게 하여 구조에서 쉽게 제거될 수 있는지를 보여주었습니다. Yaghi는 카르복실산염 그룹의 새로운 분자 연결을 통해 분자를 더욱 안정적으로 만들어 MOF가 최대 300°C의 온도를 견딜 수 있도록 했습니다. Yaghi가 개척한 또 다른 발전은 MOF의 표면적을 그램당 최대 7,000제곱미터로 확장한 것입니다. 이는 MOF를 기후 변화, 물 부족 및 기타 주요 과학적 문제에 적용하기 위한 핵심 개발입니다. 기술이 기후 변화를 되돌릴 수는 없지만 금속-유기 구조는 일부 과학자들이 이를 20세기의 물질이라고 불렀을 만큼 엄청난 잠재력을 갖고 있습니다.
응용
MOF의 급속한 발전은 두 가지 주요 요인에 기인할 수 있습니다. 첫 번째는 MOF가 고도로 사용자 정의 가능한 구조라는 것입니다. 금속 유형, 유기 결합 구성, 온도 또는 용매 시스템을 변경함으로써 과학자들은 쉽게 새로운 구조를 구축하고 다양한 목적으로 제작할 수 있습니다. 두 번째는 금속-유기 골격 분야가 엄청난 과학적, 상업적 잠재력을 갖고 있다는 것입니다. 실제로 노벨상 수상자들의 획기적인 발전 이후 전 세계 화학자들은 100,000가지 이상의 MOF 유형을 만들어냈습니다.
MOF의 가장 중요한 용도 중 하나는 MOF가 메탄, 이산화탄소, 아산화질소와 같은 온실가스를 포집하는 갭 흡수입니다. 부담스럽거나 비용이 많이 드는 장비가 필요하지 않습니다. 또 다른 응용 분야는 과학자들이 “영원한 화학 물질”이라고 부르는 것을 세계의 물 공급에서 분리하는 것입니다. PFAS로 알려진 Per- 및 폴리플루오로알킬 물질은 지구의 수로를 오염시켰으며 근절하기가 매우 어려운 합성 오염물질입니다. 지난 몇 년 동안 MOF는 물과 토양에서 이러한 유해 화학물질을 제거하는 유망한 솔루션이 되었습니다. 또 다른 최근 개발은 MOF 그물을 사용하여 사막 공기에서 물을 수확하는 것인데, 이는 흥미로운 수력 발전 및 물 보존 노력을 나타냅니다. 기후 변화 외에도 화학자들은 MOF가 생물 의학, 석유 분해, 원예, 희토류 원소 수확, 형광 센서 및 촉매 작용을 포함한 광범위한 분야를 변화시킬 수 있다고 믿습니다.
이러한 용도에도 불구하고 대규모 MOF 기술 개발은 더디게 진행되었습니다. 그러나 일부에서는 제조 비용 절감, 투자 증가, 인공 지능과 같은 신기술이 기업이 지난 30년 동안 상업적 응용을 방해했던 다양한 병목 현상을 극복하는 데 도움이 될 수 있기 때문에 이 기술이 경제적 돌파구에 접근하고 있다고 보고 있습니다. 연구 기관인 IDTechEx의 보고서에 따르면 MOF 시장은 향후 10년 동안 30배 성장하여 2035년에는 10억 달러 규모에 가까워질 수 있습니다.
