이산화탄소를 빨아들이는 금속 스펀지 MOF, 노벨상에서 주목하다

이산화탄소를 빨아들이는 금속 스펀지 MOF, 노벨상에서 주목하다

대학생신재생에너지기자단 26기 김대건

MOF가 노벨상에 선정된 의미

[자료 1. 2025 노벨화학상 수상자 일러스트]

출처 : © 26기 김대건 gemini 생성 

1895년, 알프레드 노벨의 유언을 통해 ‘인류에게 가장 큰 공헌을 한 사람’에게 상을 수여하라고 했다. 이에 따라 가장 중요한 화학적 발견 또는 개선을 한 화학적 발견에 주목하여 1901년부터 노벨화학상 시상이 이어져 오고 있다.

현지 시각 2025년 10월 8일, 스웨덴 왕립 과학원은 오마르 야기, 기타가와 스스무, 리처드 롭슨을 금속-유기 골격체인 MOF(Metal-Organic Frameworks) 개발 공로로 노벨화학상 수상자로 선정되었음을 발표했다.

[자료 2. 연도별 노벨화학상 선정 카테고리]

출처 : CAS

노벨화학상의 공식 선정 기준은 공개되어 있지 않다. 하지만 학술 출판 데이터를 분석한 결과, 수상 연구에는 ① 새로운 과학적 개념을 제시 ② 사회에 실질적인 영향 ③ 연구의 판을 바꾸는 기술이라는 공통점이 있다. 

MOF는 분자 수준에서 공간을 설계하는 새로운 물질 개념을 제시했다. 나아가 탄소 포집, 물 생산, 청정 연료 저장 등 현시대 최고 과제인 기후위기 대응 기술로 주목을 받고 있어 이것의 영향력과 기술력으로 보아 최신 노벨화학상 선정 트렌드와 맞닿아 있다. 그렇게 이번 노벨화학상은 MOF가 ‘가능성 있는 소재’가 아닌 ‘필요한 기술’이 되었음을 보여주는 신호이다.

MOF란 무엇인가

[자료 3. MOF 형상화한 구조]

출처 : © 26기 김대건 gemini 생성

MOF는 금속 이온과 유기 분자가 배위 결합으로 연결된 다공성 물질이다. 말이 어렵다면 금속 이온과 유기 분자로 만들어진 아파트로 생각하면 된다. 금속 이온은 기둥, 유기 분자는 벽. 이들이 반복적으로 연결되면서 수많은 빈 공간이 생긴다.

이 빈 공간이 바로 MOF의 핵심이다. 어떤 MOF는 전체 부피의 90%가 비어 있을 정도로 다공성이 크다. 1g의 MOF 안에는 축구장 하나에 맞먹는 내부 표면적이 숨어 있는데, 그만큼 분자를 붙잡을 수 있는 공간이 넓다는 뜻이다.

MOF의 또 다른 강점은 설계의 다양성이다. 유기 분자에 작용기를 붙이면 특정 분자만 인식하도록 만들 수 있고, 연결 고리를 늘리면 기공 크기를 키울 수도 있다. 마치 레고 블록을 조합하듯 원하는 목적에 맞게 구조를 설계할 수 있다.

2025년 기준으로 이미 약 9만 종 이상의 MOF가 합성됐고 이론적으로는 수십만 종 이상이 가능하다고 예측된다. 이렇게 다양한 구조와 기능을 동시에 가질 수 있는 물질군은 흔치 않다. 그렇기에 MOF는 단순한 신소재를 넘어서 환경·에너지 문제를 해결할 수 있는 플랫폼 소재로 평가받고 있다.

기후위기에 대항하는 MOF 역할

[자료 4. 이산화탄소를 흡착한 MOF]

출처 : © 26기 김대건 gemini 생성

MOF가 주목받는 가장 큰 이유는 기후위기 대응 기술에 직접적으로 활용될 수 있기 때문이다. 핵심은 간단하다. 많이 가둘 수 있고 선택적으로 붙잡을 수 있다는 점이 유용하게 작용한다.

MOF는 넓은 내부 표면적 덕분에 이산화탄소인 CO₂를 효율적으로 흡착할 수 있다. 여기에 금속 이온이나 유기 분자의 구조를 조절하면 CO₂만 선택적으로 붙잡도록 설계할 수 있다.

대표적으로 아민(–NH₂) 작용기를 도입한 MOF가 있다. 이산화탄소 분자에서 탄소는 부분적으로 양전하를 띠며, 아민의 비공유 전자쌍과 결합할 수 있다. 이러한 화학적 상호작용을 활용해 MOF는 CO₂를 선택적으로 흡착하며, 질소와 같은 다른 기체는 대부분 통과시킨다. 또, 포집된 CO₂는 가열하거나 압력을 낮추면 다시 방출된다. 이 과정을 거치면 MOF는 재사용이 가능해지고 반복적인 탄소 포집 공정에 적용할 수 있다.

이외에도 MOF는 공기 중 수분을 흡착해 물을 생산하거나, 수소와 같은 청정 연료를 안전하게 저장하는 기술로도 연구되고 있다.

즉, MOF는 기후변화·물 부족·에너지 문제를 동시에 겨냥할 수 있는 드문 소재다. 이번 노벨화학상은 이러한 잠재력이 더 이상 미래의 가능성이 아니라, 지금 당장 주목해야 할 기술임을 보여준다.

작은 분자 구조 하나가 바꾸는 미래

MOF의 노벨화학상 수상은 '작은 분자 구조가 얼마나 큰 변화를 만들 수 있는가'를 보여주는 사례다. 기초 연구에서 출발한 아이디어가 기후위기라는 전 지구적 문제의 해법으로 이어지고 있다. 이로서 인류사회 문제를 해결하는 데에 연구 중요성을 알 수 있었다. 이제는 MOF가 연구실을 넘어 우리 사회 속 기술로 얼마나 빠르게 자리 잡을 수 있을지 주목해 볼 필요가 있다.

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2. "탄소를 품은 콘크리트, 건설 산업의 탄소중립을 이끌다", 28기 김나현, https://iksung.tistory.com/158

참고문헌 

[MOF가 노벨상에 선정된 의미]

1) CAS Science Team, CAS, "Three paths to a Nobel Prize in chemistry", 2024.09.27, 

https://www.cas.org/ko/resources/cas-insights/three-paths-to-a-nobel-prize-in-chemistry

2) Stavroula Alina Kampouri, THE CONVERSATION, "Metal-organic frameworks: Nobel-winning tiny ‘sponge crystals’ with an astonishing amount of inner space", 2025.10.09, https://theconversation.com/metal-organic-frameworks-nobel-winning-tiny-sponge-crystals-with-an-astonishing-amount-of-inner-space-267089

3) THE NOBEL PRIZE, "Facts on the Nobel Prize in Chemistry", 2009.10.05, https://www.nobelprize.org/prizes/facts/facts-on-the-nobel-prize-in-chemistry/ 

[MOF란 무엇인가]

1)  Hong-Cai Zhoueffrey R. Long, Omar M. Yaghi, ACS Publications, "Introduction to Metal–Organic Frameworks", 2012.01.26, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cr300014x

2) Stavroula Alina Kampouri, THE CONVERSATION, "Metal-organic frameworks: Nobel-winning tiny ‘sponge crystals’ with an astonishing amount of inner space", 2025.10.09, https://theconversation.com/metal-organic-frameworks-nobel-winning-tiny-sponge-crystals-with-an-astonishing-amount-of-inner-space-267089

3) THE NOBEL PRIZE, "Their molecular architecture contains rooms for chemistry", 2025.10.08, https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/

[기후위기에 대항하는 MOF의 역할]

1) Stavroula Alina Kampouri, THE CONVERSATION, "Metal-organic frameworks: Nobel-winning tiny ‘sponge crystals’ with an astonishing amount of inner space", 2025.10.09, https://theconversation.com/metal-organic-frameworks-nobel-winning-tiny-sponge-crystals-with-an-astonishing-amount-of-inner-space-267089

2) THE NOBEL PRIZE, "Their molecular architecture contains rooms for chemistry", 2025.10.08, https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/