사막에서 물 만드는 ‘분자 스펀지’ 개발에 기여한 3인 노벨화학상 수상

日 기타가와·호주 롭슨·美 야기 수상…日, 생리의학상에 이어 화학상도

8일(현지시간) 스웨덴 스톡홀름 소재 스웨덴 왕립과학원에서 노벨위원회가 2025년 노벨 화학상 수상자를 발표하고 있다. 화면 속 사진 왼쪽부터 스스무 기타가와 일본 교토대 교수와 리처드 롭슨 호주 멜버른대 교수, 오마르 M 야기 미국 UC버클리대 교수. ⓒ AFP/연합뉴스

올해 노벨 화학상은 ‘분자 스펀지’로 불리는 ‘금속-유기 골격체’(Metal–Organic Frameworks·MOF)’라는 다공성(多孔性) 신소재 개발에 이바지한 과학자 3명이 공동 수상했다.

로이터통신 등에 따르면 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 8일(현지시간) 올해 노벨 화학상 수상자로 ‘금속-유기 골격체’라는 새로운 분자 구조를 만든 공로로 스스무 기타가와(74) 일본 교토대 교수와 리처드 롭슨(88) 영국 출신의 호주 멜버른대 교수, 오마르 M 야기(60) 요르단 출신의 미국 UC버클리대 교수를 선정했다고 밝혔다.

기타가와 교수가 수상함에 따라 일본은 31번째 노벨상 수상자를 배출했다. 올해 일본 과학자는 사카구치 시몬 일본 오사카대 석좌교수의 노벨생리의학상에 이어 화학상도 거머쥐었다.

금속-유기 골격체는 금속 원자(이온)를 기둥처럼 세우고, 그 사이를 유기 분자로 연결해 만든 3차원의 결정 구조체다. 이 구조체는 내부에 규칙적인 나노미터(nm·10억분의 1m) 크기의 수많은 ‘구멍’을 가지고 있다. 이 구멍의 크기와 화학적 특성을 원하는 대로 설계해 ‘맞춤형 물질’을 만들 수 있다. 원자와 분자로 만든 ‘작은 스펀지’ 같은 개념인 셈이다.

이 구조체를 활용하면 사막의 공기에서 물을 모으거나 수소나 이산화탄소 같은 특정 기체분자만을 선택적으로 붙잡거나 저장하는 탄소포집 기술이나 청정에너지 저장에 활용해 지구 온난화 현상을 줄일 수 있다. 국내 전자업체가 만든 공기청정기의 필터에도 이 금속-유기 골격체가 쓰였다.

롭슨 교수는 1989년 처음으로 이 금속-유기 골격체 구조를 만들었다. 그의 접근법은 ‘망상 기반’(net-based) 설계라 불리며 금속-유기 골격체 구조 설계의 이론적 토대가 됐다. 금속과 분자를 엮어 다이아몬드처럼 구멍이 많은 구조를 만든 것이다.

다만 그 구조는 너무 약해 오래 가진 못했다. 이후 1997년 기타가와 교수가 이 구조 안으로 기체가 자유롭게 드나들 수 있다는 것을 보여줬다. 이 구조가 유연하게 움직일 수 있다는 사실도 예측했다.

야기 교수는 튼튼하고 안정적이면서 놀라울 정도로 넓은 표면적(1g당 축구장 넓이)을 지닌 최초의 고안정성 금속-유기 골격체를 만드는 데 성공해 상업화 가능성을 높였다. 분자 설계를 조절함으로써 물을 저장하거나 가스를 흡착하는 등 특정 기능을 내세운 맞춤 설계가 가능하다는 사실을 증명한 것이다.

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그는 또 분자 구성단위를 레고처럼 조립해 원하는 구조와 기능을 갖는 물질을 만드는 ‘망상 화학’(Reticular Chemistry)이라는 새로운 학문 분야를 창시하기도 했다. 금속-유기 골격체가 실험실 수준의 발견에서 실제로 응용이 가능한 안정적 물질로 자리 잡게 한 것이다.

노벨위원회는 “전 세계 화학자들은 수만 종의 금속-유기 골격체를 만들었고 그중 일부는 탄소 포집을 비롯해 물 부족 해결, 환경 정화 등 인류의 큰 문제를 해결하는데 쓰인다”고 설명했다.

올해 노벨 물리학상 수상자들은 메달과 증서, 상금 1100만 스웨덴크로나(약 16억5500만원)를 나눠 갖는다. 시상식은 오는 12월 스웨덴 스톡홀름에서 열린다. 노벨위원회는 6일 생리의학상을 시작으로 7일 물리학상, 이날 화학상을 발표한데 이어 9일 문학상, 10일 평화상, 13일 경제학상을 발표한다.