분자를 위한 건물을 지을 수 있을까?
사람들은 여러 가지 형태의 건물을 짓고, 한정된 공간을 효율적으로 활용하며, 그 공간이 가지는 환경에 따라 여러 가지 다른 활동을 하고 있습니다. 사무용 건물의 경우에는 그 목적에 맞는 크기를 가지도록 설계되며 내부에는 협업 등의 생산적인 활동을 할 수 있는 인테리어를 갖추어 많은 회사들이 본연의 목적에 맞는 활동을 할 수 있도록 도와줍니다. 또한 아파트의 경우에는 모집하고자 하는 입주자의 대상에 따라 아파트의 크기를 다르게 설계하고 내부 인테리어도 바꾸어 주게 됩니다. 예를 들어, 1인가구의 입주자를 타겟으로 하는 경우에는 비교적 작은 평수를 가지는 집에서 혼자만의 여가와 휴식을 위한 공간을 만들고 생활하도록 설계하고 있으며, 자녀가 있는 가족을 타겟으로 하는 경우 여러 개의 방이 있는 큰 집을 만들고 또 주부와 아이들을 위해 다양한 인테리어를 가지도록 설계합니다. 이처럼 많은 사람들이 사용할 수 있는 건물을 만들고, 내부의 공간을 설계하고 내부 인테리어를 조절하는 것은, 우리 생활에서 타겟으로 하는 사람을 모집하고 목적에 맞는 활동을 하도록 만드는 데에 많은 영향을 미치게 됩니다.
같은 원리로, 분자를 위한 건물을 만들 수 있고 또 그 공간의 인테리어를 우리가 원하는 대로 조절할 수 있다면, 우리는 원하는 분자만을 선택적으로 분리하고, 저장하며, 필요한 화학반응을 이끌어내고, 원하는 물질을 안전하게 전달할 수 있지 않을까요? 예를 들어, 지구온난화의 주범인 이산화탄소가 너무 좋아하는 “분자 건물 ”을 만들 수 있다면, 우리는 공기중에서 이산화탄소를 선택적으로 분리해 제거할 수 있지 않을까요?
2025년에 노벨 화학상을 받은 MOF(금속유기구조체)는 이러한 “분자를 위한 건물 ”이라고 할 수 있습니다. 그러면 분자를 위한 건축물을 분자로 만드는 것을 어떻게 할 수 있을까요? 앤트맨이라는 영화에서 나오는 것처럼 우리가 핌 입자라는 것이 있었다면, 큰 건물을 지어놓고 분자를 위한 작은 건물로 줄여 나갈 수 있겠지만, 이는 현실에서는 아직 불가능한 이야기입니다. 그렇다면, 분자를 위한 건물을 하나씩 지어 올려야 할 텐데요. 우리가 건물을 만든다고 할 때 기본적으로 필요한 것은, 공간을 만들어주는 H빔과 이를 서로 연결시켜주는 조인트들이 필요합니다. MOF는 이 공간을 만들어주는 H빔을 유기물 분자로 사용하고, 이를 서로 연결시켜주는 조인트를 금속산화물 클러스터로 사용하여 “분자를 위한 건물 ”을 만들어 줍니다.
MOF가 탄생하기까지 노벨상 수상자의 연구내용 및 과정
분자를 위한 건물의 원조가 될 수 있는 구조는 Prussian blue라는 염료 물질이었습니다. 파란색의 염료로 그림과 의류 등에 널리 사용되는 물질이었는데, 사용하다 보니 사람들이 이 염료는 습도에 따라서 색이 조금씩 변한다는 사실을 알아차렸습니다. 또한 양이온의 함량에 따라 색이 변한다는 것을 경험적으로 알 수 있었고요. 그래서 이후 분석을 해보니, 이 Prussian blue의 내부가 비어 있어 물과 양이온들이 출입할 수 있다는 것을 발견하였습니다. 또한 이 Prussian blue 물질은 철 이온 주변을 둘러싸는 시안cyan 화학물이 XYZ 축과 같이 서로 일정한 각도를 가지며 결합되어 있어 정육면체와 같은 구조를 형성할 수 있으며, 이로 인해 내부에 빈 공간이 존재할 수 있다는 것을 알 수 있었습니다.
그러면 이러한 Prussian blue 같은 구조를 만들되, 여기에 공간을 차지할 수 있는 H빔과 같은 역할을 할 유기물을 넣어서 공간을 가지는 구조체를 만들 수 있다는 가능성을 최초 발견하고 제안하신 분이 이번 노벨상 수상자 중 한 분이신 리처드 롭슨Richard Robson 교수님 이십니다. 롭슨 교수님께서는 탄소처럼 4방향으로 109.5도의 각도를 가지고 결합할 수 있는 유기 분자를 금속이온과 결합시켜 연결해 나간다면, 다이아몬드와 같은 구조를 만들어 분자 구조체를 만들 수 있다는 것을 최초로 증명하셨습니다. 물론 처음 만든 구조는 안정하지 못하고 용매가 제거되는 구조를 유지하지 못하는 등의 불안정성이 있었지만, 이러한 부분을 후속연구를 통해 그리고 많은 연구자들과 함께 지속적으로 개선해 나갔습니다.
용매를 제거하고 나서 안정적인 형태를 유지하는 구조체가 개발되어 가면서, 이 구조체 속에 기체 분자를 넣을 수 있지 않을까? 라는 생각을 이번 노벨상 수상자 중 한 분이신 스스무 키타카와Susumu Kitakawa 교수님께서 하셨습니다. 마치 정글짐을 지어두면, 이 내부로 많은 아이들이 몰려들어 정글짐에서 놀 수 있는것처럼요. 그래서 키타카와 교수님은 분자 건물 구조에서 용매를 제거한 뒤 기체를 넣어 흡착시킬 수 있다는 것을 최초로 증명하셨습니다. 이후, 이 구조체를 변경시키면서 기체가 들어오고 다시 빠져나갈 수 있는 것도 조절할 수 있음을 보여 나가셨습니다.
그러한 분자 구조체의 발전 속에서, 이 분자 구조체에 관한 이론을 정립하여 확장시킬 수 있음을 보이고 또 이 구조체의 이름을 Metal-Organic FrameworksMOFs라고 명명을 하며 이러한 분자구조체를 하나의 학문적 분야로 확장시키신 분이 오마르 야기Omar Yaghi 교수님입니다. 이전까지는 이러한 분자 구조체들이 발견될 때마다 개별적인 이름을 가지고 케이스별로 보고되었다면, 야기교수님께서는 안전한 구조를 가지고 영속적인 공간을 가지고 있는 물질의 분류를 MOF 라고 명명하셨습니다. 그리고 이러한 구조를 만드는 일반적인 원리와 법칙을 정립하셨으며, 구조의 변형과 내외부의 물리화학적 환경변화에 관련 법칙들을 제시하시며 여러 연구자들과 함께 망상화학reticular chemistry라는 분야를 만들어 가셨습니다. 비유하여 설명하자면, 이전까지는 정글짐 정도의 구조를 만들어 사람들이 드나들 수 있는 개별적인 케이스를 소개하는 정도였다면, 야기 교수님께서는 이 방법을 이용하여 아파트나 오피스텔 같은 건물을 지을 수 있도록 확장하시고, 건축 공법, 내 외부 설계방법 등에 관한 이론을 정립하며 이러한 방법이 일반화 대중화될 수 있도록 하셨던 것입니다.
MOF의 활용 현황 및 발전 방향 제시
MOF는 다양한 방식으로 적용되어 이제 우리의 생활을 한 단계 더 나아지게 만드는 발전을 이루어 가는 단계에 있습니다. MOF가 가장 많이 적용되고 있는 분야는 기체의 저장 또는 분리 분야입니다. MOF에 존재하는 공간은 일반적으로 수 옹스트롬Å에서 1나노에 이르는 정도의 크기를 가지고 있으므로, 기체 분자들과 잘 교류할 수 있으며 이 분자들의 거동에 영향을 미칠 수 있는 공간의 조절을 잘 할 수 있습니다. 하나의 기체가 외부보다 MOF 공간 내부에서 더 잘 머물도록 만들어주면 MOF는 수소와 같은 기체를 저장할 수 있는 공간으로 활용될 수 있습니다. 또한 이산화탄소만 좋아할 수 있는 MOF의 내부공간을 만들어 줄 수 있다면 공기중에서 이산화탄소를 선택적으로 포집하고 제거하는 분야로 활용할 수 있습니다. 그림에서 보는 것과 같이, 빈 용기에 이산화탄소를 저장하는 것 보다 MOF를 가득 채운 용기에 8배 이상의 이산화탄소가 저장될 수 있는 것을 확인할 수 있습니다.
또한 MOF는 공기 중의 수분만을 선택적으로 모아 응축시켜 물로 공급을 하는 기능도 수행할 수 있습니다. 이러한 경우, 마실 물이 부족한 사막환경에서 공기 중의 수분을 모아서 응축하는 방식으로 추가적인 에너지의 투입 없이 마실 물을 공급하는 식수원으로서도 사용될 수 있습니다. 올해 노벨상 수상자이신 야기 교수님께서는 이런 원리를 이용하여 물을 공급하는 장치를 만드는 회사를 설립하시고 마실 물에 관한 문제를 해결해 나가고 계십니다. 또한 습한 공기중에서 수분을 없애는 기능을 수행할 수 있으므로, 생활속에서 제습기와 같은 곳에 사용될 수 있고, 건물 자체의 공기를 제어하는 공조기에도 활용될 수 있습니다.
MOF의 구조와 내부 환경을 조절하면 이온들의 선택적인 저장을 위한 구조체로도 활용할 수 있습니다. 이를 활용하면 배터리와 같은 전기화학적 디바이스에 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 순수한 물을 얻는 정수 과정에서 금속이온들이 오염물로 존재할 때 이러한 것들을 제거할 수 있는 수분 필터로도 활용될 수 있습니다. 또한 정밀화학을 위한 촉매로도 활용되고 있으며, MOF 구조와 공간 조절을 통해 기존에는 불가능했던 촉매반응을 유도할 수 있습니다. 그리고 쉽게 변성이 되는 약물 등의 핵심성분들을 전달하는 곳에 활용되어 약물 전달과 같은 분야에도 응용되고 있습니다.
산업적으로 MOF는 여러 분야에서 활용되고 있습니다. 세계적인 화학회사인 BASF(바스프)에서 최초 석유정제 공정 및 메탄 저장 탱크에 사용하기 위한 상용화를 시작했습니다. 최근에는 캐나다의 SVANTE(스반테)라는 회사와 함께 협력하여, BASF 라는 회사에서 이산화탄소 흡착을 위한 MOF를 대량으로 생산하고, 스반테는 MOF를 이용한 이산화탄소 포집장치를 개발하여 상용화하기 직전에 있습니다. 또한 미국 노스웨스턴 대학에서 만든 스타트업에서는 반도체용 독성 가스를 안전하게 이송하는 용기를 개발하여 여러 반도체 회사와 함께 상용화하기도 하였습니다.
국내에서도 MOF는 상용화되어 있습니다. LG전자에서는 공기청정기 필터에 MOF를 적용하여 냄새를 제거하는 성능이 매우 강화된 M 필터라는 것을 출시하였으며, 이를 이용하여 먼지의 제거 성능과 냄새의 제거 성능을 일치하도록 만들었습니다. 기존 공기청정기 필터에서 냄새제거 성능이 먼지제거 성능에 비해 매우 낮았던 것을 생각하면, 기존 기술로 불가능했던 것을 MOF를 적용함으로써 극복해낸 좋은 사례입니다. 또한 이는 MOF 가 우리의 삶 속에 들어와서 적용된 세계 첫 사례입니다. 또한 피부제품에 자주 사용되고 있지만 불안정하여 유통 및 사용과정에서 그 기능을 잃어버리곤 했던 비타민C와 글루타치온 같은 것들을 MOF 구조를 사용하여 안정화시킨 사례도 있습니다. 이러한 기술을 이용하여 원하는 양만큼의 핵심물질을 피부로 전달할 수 있는 MOF 기술로도 활용되었습니다. 전 세계에서 MOF 회사들의 현황에서 볼 수 있는 바와 같이 MOF는 이제 다양한 분야로 적용되는 시작 시점에 있으며, 앞으로는 더 많은 분야에 응용될 가능성이 많은 물질입니다.
MOF에 대한 개인적인 통찰과 바람
지금까지 이야기했던 것처럼, MOF는 원하는 타겟 분자를 다룰 수 있는 공간을 제공하는 분자 건축물입니다. 따라서 이 공간에 어떠한 기체/분자/약물/이온/단백질 등의 물질을 넣을 것인지에 따라서 그 적용과 응용범위가 무궁무진한 높은 확장성을 가진 물질입니다. 지금까지 MOF의 구조에 대해서는 많은 연구가 이루어져 수 천개 이상의 MOF 구조가 보고되고 있지만, MOF를 활용할 수 있는 응용분야에 대해서는 아직도 미개척 분야가 이미 탐구했던 분야보다 훨씬 큰 물질입니다. 따라서 이제는 응용 및 공학의 관점에서도 MOF가 적용될 수 있는 다양한 분야를 더 적극적으로 찾고 탐사해 나가야 합니다. 이러한 측면은 산업적으로도 마찬가지입니다. 국내외적으로 MOF를 사업화 한 사례가 있기는 하지만, MOF가 적용될 수 있는 가능성을 생각하면 이제 산업이 일어나고 있는 첫걸음 단계이며 앞으로 확장되어 우리의 생활을 이롭게 할 수 있는 여지가 매우 큽니다. 따라서 이번 노벨상을 계기로 조금 더 많은 사람들이 MOF에 대해서 관심을 가지고 연구해서, MOF의 전체 시장을 크게 키워가며, 산업과 우리의 삶 곳곳에서 MOF가 활용될 수 있도록 하는 것이 중요합니다. MOF가 산업화되는 과정에서 앞으로도 많은 허들이 남아있지만, 많은 사람들의 노력을 통해 이러한 부분을 빠르게 극복해 나갈 수 있으리라고 보고 있습니다.
