일본 교토대학교의 스스무 기타가와, 호주 멜버른대학교의 리처드 롭슨, 미국 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스의 오마르 야기 교수가 금속•유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs) 개발의 공로로 2025년 노벨 화학상을 공동 수상했습니다.

스웨덴 왕립과학원은 이들이 개발한 MOFs를 이산화탄소 포집과 유해물질 제거 등 지구 환경 문제 해결에 기여할 수 있는 획기적인 물질로 평가했습니다.

세 과학자는 1,100만 스웨덴 크로나(약 16억 원)의 상금을 공동으로 받게 됩니다.

10만 종 MOFs 개발 가능한 혁신 물질, 일본-호주-미국 과학자 노벨상

금속•유기 골격체(MOFs)는 금속 이온이 모서리를 형성하고, 유기 분자가 이를 연결하는 형태로 구성된 다공성 물질입니다. 이 구조는 분자 수준에서 ‘방’과 같은 빈 공간을 만들어 기체나 액체 분자를 흡착하거나 저장할 수 있게 합니다.

네이처(Nature)에 따르면, MOFs는 그램당 최대 7,000제곱미터에 달하는 표면적을 가질 수 있는데, 이는 엄지와 검지 사이에 들어갈 수 있는 크기의 물질 안에 축구장 1.3개 분량의 면적이 존재한다는 뜻입니다.

하이너 린케 노벨상 위원회 의장은 “해리 포터에 등장하는 헤르미온느의 가방처럼 외부는 작지만 내부는 매우 넓어, 아주 적은 양으로도 많은 기체를 저장할 수 있다”고 설명했습니다.

이 획기적인 물질의 개발은 1980년대 롭슨의 연구에서 시작됐습니다. 그는 다이아몬드의 결정 구조에서 영감을 받아, 구리 원자와 유기 분자를 결합한 피라미드 형태의 모듈을 설계했습니다.

1990년대 초, 기타가와는 물로 채운 뒤 건조해도 구조가 유지되는 MOFs를 개발했으며, 기체나 분자가 골격에 너무 강하게 결합하지 않아 쉽게 제거할 수 있는 특성이 중요하다고 강조했습니다. 그는 또한 온도나 빛 같은 환경 변화에 따라 골격 구조가 유연하게 변형될 수 있다는 사실도 밝혔습니다.

같은 시기, 야기는 ‘금속•유기 골격체(MOF)’라는 용어를 처음으로 사용하며 카복실레이트(Carboxylate)을 포함한 연결체를 개발했고, 최대 300°C까지 안정적인 구조를 구현했습니다.

그는 입방체 구조의 MOFs뿐 아니라 더 긴 연결체를 가진 형태도 개발하여, 수 그램의 고체 가루 안에 축구장 크기의 내부 표면적을 구현하는 데 성공했습니다.

호주 애들레이드대학교의 크리스티안 두난 교수는 “야기의 연구는 물질 내 모든 분자를 제거해도 다공성이 영구적으로 유지되는 화학을 확립했다”며, “이로 인해 무기화학을 넘어 모든 화학 분야에서 MOFs에 대한 관심이 폭발적으로 증가했다”고 평가했습니다.

노벨상 위원회에 따르면, 기타가와 교수는 “쓸모없는 것의 유용함”이라는 철학에서 연구에 대한 영감을 받았습니다. 이는 중국 고대 철학자 장자의 사상을 반영한 것으로, 당장 실용적이지 않더라도 결국 가치를 지닐 수 있다는 믿음입니다.

그는 노벨상 발표 기자회견에서 “이 연구는 사회에 미칠 잠재적 영향뿐 아니라, 순수한 즐거움 때문에 계속해왔다”고 밝혔습니다.

현재까지 화학자들은 10만 종 이상의 다양한 MOFs를 개발했으며, 네이처의 분석에 따르면 지난 20년간 MOFs를 다룬 학술 논문만 10만 건이 넘습니다.

야기 교수는 “대부분의 분자나 물질은 이론에서 실현까지 매우 복잡하지만, MOFs는 특히 AI의 도움을 받으면 훨씬 단순하다. 생각할 수 있다면 만들 수 있다”고 말했습니다.

MOFs의 활용 범위는 매우 넓습니다. 이산화탄소 포집, 공기 중 수분 포집, 독성 가스 필터링, 수소 저장, 폐기물에서 희토류 금속 회수, 기름 오염 분해, PFAS(영원한 화학물질) 추출 등 다양한 환경 문제 해결에 응용될 수 있습니다.

기타가와 교수는 “공기에서 이산화탄소, 산소, 물을 분리하고, 이를 재생에너지로 변환해 다시 사용할 수 있는 물질로 만드는 것이 나의 꿈”이라고 전했습니다.

다만, MOFs의 상업적 활용은 CCS, DAC 부문에서 각광 받고 있습니다.

캐나다 기후테크 기업인 스반테(Svante)는 MOFs를 활용한 이산화탄소 포집 기술을 도입했으며, CALF-20이라는 MOF가 시멘트 생산 과정에서 배출되는 온실가스를 효과적으로 제거할 수 있음을 입증했습니다.

야기 교수는 이에 대해 “놀라운 응용 사례”라고 평가했습니다.