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2025년 노벨 화학상

 (nobelprize.org)
1P by GN⁺ 4일전 | ★ favorite | 댓글 1개
  • Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi가 금속-유기 구조체(MOF) 개발로 2025년 노벨 화학상 수상
  • MOF는 큰 공동(cavity) 을 가진 분자 건축물로, 물 분자 저장, 탄소 포획, 수소 저장, 오염물질 제거 등 다양한 활용 가능성 보유
  • 혁신적 MOF의 최초 설계와 실용화를 통해 수만 가지 종류의 맞춤형 화학 재료 개발이 가능해짐
  • 기존 재료와 달리 MOF는 유연성, 다양한 분자 조합, 고기능성 등에서 독창적인 장점 부각
  • MOF는 연구와 산업 분야에서 새로운 화학 솔루션을 제시하며, 21세기 핵심 소재로 부상 중임

새로운 화학의 공간 창조: 2025년 노벨 화학상

개요

  • 2025년 노벨 화학상은 Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi에게 수여됨
  • 이들은 금속-유기 구조체(MOF, Metal–Organic Frameworks) 라는 혁신적인 분자 구조체를 개발함
  • MOF는 내부에 매우 큰 공동(cavity)을 포함한 건축물로, 다양한 분자가 드나들 수 있음
  • 이를 통해 사막 대기에서 물 추출, 오염물질 제거, 이산화탄소 포집, 수소 저장 등 다양한 혁신적 응용이 이루어짐

MOF의 탄생 배경과 발상

목재 분자 모델에서 시작된 발상 (Richard Robson)

  • 1974년 Richard Robson은 학생 교육을 위해 분자 목재 모델을 만들면서 원자의 결합 방식에서 영감을 얻음
  • 탄소와 같이 네 방향에 결합하는 금속 이온(copper ion)과 4개의 팔을 가진 유기 분자를 조합하는 아이디어 고안
  • 그 결과로, 내부에 매우 큰 공동을 가진 질서정연한 분자 결정을 처음으로 만듦
  • 1989년에 이러한 혁신적 구조를 발표하며, 새로운 재료 설계 방법을 예견함

실험과 미래 지향적 제안

  • Robson은 다양한 이온 및 분자를 융합하여 공동 구조체를 만들고, 실제로 내부 이온 교환이 가능한 것을 실험적으로 보임
  • 이 구조체는 선택적 화학 반응 촉매 등 신개념 화학 소재로 확장 가능성을 제시함
  • 당시 구조체는 불안정했으나, 미래 지향적 사고에 의해 이후 연구자들에게 영감을 줌

Kitagawa와 Yaghi의 독립적 개척

Kitagawa: “쓸모없는 것의 쓸모”

  • Susumu Kitagawa는 “무용(無用)의 유용(有用)” 이라는 원칙 아래, 처음에는 특별한 용도가 없는 다공성 분자 구조체를 개발함
  • 1992년 구리 이온 기반의 2차원 구조체 발표 후, 1997년에는 내구성 있고 가스 저장이 가능한 3차원 MOF를 구현함
  • 기존의 zeolite와 비교해, MOF는 소재 유연성, 구성 분자의 다양성과 같은 고유 강점 보유
  • 1998년, MOF의 유연성 개념을 제안하며 학계에 새로운 패러다임 제시

Yaghi: 원자 단위 설계의 집념

  • Omar Yaghi는 어려운 환경에서 자라며, 분자 구조에 깊은 호기심을 품음
  • 1992년 Arizona State University에서 합리적 분자 설계를 시도, 금속 이온과 유기 분자를 조합해 2차원 MOF를 발표
  • 1995년 “metal–organic framework”라는 용어를 최초로 제안하며, 본격적으로 MOF 분야를 이끔
  • 1999년 MOF-5라는 대표적 소재를 개발, 2~3g 만으로 축구장 크기의 내부 표면적을 제공하는 혁신성 입증
  • 2002~2003년, 다양한 공동 크기의 MOF를 유리하게 설계할 수 있음을 증명

MOF의 응용 및 파급력

다방면에서의 혁신적 활용

  • MOF는 분자 단위로 맞춤설계가 가능해 물 흡수, 가스 저장, 약물 전달, 유독 가스 포집, 오염물질 분해 등 수십 가지 고기능 적용이 가능
  • Yaghi 그룹은 사막 대기에서 물을 추출하는 등 실질적 활용 가능성을 입증함
  • UiO-67, MIL-101, ZIF-8, CALF-20, NU-1501 등의 MOF 소재들은 수소/이산화탄소 저장, PFAS 제거, 희토류 추출 등 산업 현장에서 실험 적용중임

21세기 미래소재로의 기대

  • MOF는 현재 소규모 연구 및 시제품 생산 단계이지만, 대량생산 및 상용화가 본격 추진 중임
  • 전자산업 유해가스 보관, 탄소 포집, 수소 저장 등 기후·환경문제 해결 솔루션으로도 각광받음
  • 많은 연구자들은 MOF가 21세기를 대표하는 신소재가 될 것으로 전망함

주요 수상자 이력

  • Susumu Kitagawa: 1951년 일본 교토 출생, 교토대학 박사, 교토대 교수
  • Richard Robson: 1937년 영국 출생, 옥스퍼드대 박사, 멜버른대 교수
  • Omar M. Yaghi: 1965년 요르단 암만 출생, 일리노이대 박사, UC Berkeley 교수

추가 정보

  • 더 자세한 과학적 배경 및 자료는 www.nobelprize.org에서 제공됨
  • 수상 관련 영상, 강연, 전시 정보는 Nobel Prize Museum 공식 사이트에서 확인 가능

금속-유기 구조체의 개발로 2025년 노벨 화학상 수상
Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi
“for the development of metal–organic frameworks”
© The Royal Swedish Academy of Sciences

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GN⁺ 4일전  [-]
Hacker News 의견

  • 수상자들에게 축하를 전함, 정말 자격 있는 업적임을 언급함 짧게 설명하자면, 스펀지 같은 다공성 소재는 반응 속도를 높이고 분자(물, CO2, 오염물 등)를 캡처 및 방출하는 데 유용함, 표면적이 많을수록 가치가 커짐 예전에는 주로 제올라이트(천연 및 합성 알루미노실리케이트 광물)를 썼으나, 합성 제올라이트는 거의 시행착오로 만듦 MOF(Metal-Organic Framework)는 사전 설계가 가능하고, 표면적이 제올라이트보다 훨씬 더 커짐(제올라이트는 보통 20-400 m2/그램, MOF는 1000-7000+ m2/그램) 아직 MOF는 가격이 비싸서 당장은 제올라이트를 쓸 수밖에 없지만, 이제는 Amazon에서도 MOF를 구매할 수 있을 정도로 접근성이 올라가고 있고, 앞으로 간단한 MOF는 가격이 낮아질 것이라 기대함

  • "아하!" 순간에 관한 이야기가 내게 아이디어를 물리적으로 다뤄보라는 영감을 줌 나무 공을 반납받고 분자 모델을 만들어 보았는데, 구멍의 위치에 정보가 숨어있다는 사실을 깨달음 자동으로 올바른 형태와 구조가 만들어졌고, 원자의 성질을 활용해서 새로운 분자 구조를 설계하는 아이디어로 이어짐

  • <Surely You Must Be Joking, Mr. Feynman>에서 Richard Feynman이 아이디어가 막혔을 때, 식당에서 접시가 회전하는 모습을 보며 생각하다 수학적 관계를 연구하게 된 일화가 기억남 그때 계산한 수학 자체로는 특별한 목적이 없었으나, 나중에 노벨상을 받는 데 결정적 역할을 함 플레이(놀이)의 힘을 절대 과소평가하지 말라는 메시지를 전달함

  • 이런 재료는 실제로 거대한 내부 표면적을 가진 현실판 Menger 스펀지 느낌임 15년 전 탈황 촉매(원유의 황 성분을 제거해 연료가 악취를 풍기지 않도록 하는 촉매) 회사에서 인턴으로 일하면서 다루기 쉬운 공기 안정 MOF를 몇 개 만들어봄 촉매 표면에서 유체와 촉매의 반응이 일어나기 때문에 표면적이 클수록 반응 속도와 효과가 증가함 논문을 따라 하며 MOF를 재현해봤는데, 내부 표면적이 진짜 엄청나서 회사 사람들 모두 충격받았던 기억임 그냥 실험 따라하고 표면적만 쟀을 뿐인데 최고 등급 평가를 받아서 MOF를 만든 Yaghi와 연구진에게 감사를 전하고 항상 좋은 추억으로 남아있음

    • 이런 것들을 실험하는 건 좋지만, 실제 산업에서 쓰려면 특허나 라이선스 문제로 비싼 사용료를 걱정해야 하지 않겠냐는 의문을 제시함

    • "거대한 내부 표면적을 가진 현실판 Menger 스펀지"라는 표현에 대해, 나도 그 자리에 늘 있었다는 식으로 재치 있게 반응함

  • MOF는 지난 10년간 화학계에서 "핫"한 주제였기 때문에 수상도 크게 놀랍지 않음, 수상자들에게 축하를 전함

  • 설명이 정말 잘 쓰여 있어서 좋았지만, 몇 가지 아쉬운 점이 있음 ‘metal–organic’에서 하이픈이 아니라 en dash를 쓴 점과, “the ions and molecules inherent attraction…”에서 고유격 아포스트로피가 누락된 점이 거슬림

    • 두 번째 아포스트로피 누락은 그냥 오타이지만, 첫 번째는 en dash 사용이 아주 올바르고 보기 좋음 위키피디아 예시처럼 en dash는 관계성을 표현할 때 쓰이고, 기사와 트윗에서 일관되게 en dash를 쓰는 것이 인상적임 en dash 관련 위키피디아 참고

    • 스웨덴 사람이라면 영어 아포스트로피를 다루는 게 익숙지 않아서 영어로 글을 쓸 때 실수하기 쉽고, 그 반대도 마찬가지임

    • 요즘 하이픈, en dash, em dash 차이를 아는 사람이 거의 없고, 인터넷 환경에서 폰트와 문자셋이 바뀌면서 오류가 더 생김 타자기 시절처럼 '-'로 하이픈과 en dash, ' -- '로 em dash를 구분하는 관례가 정착되지 않음 Microsoft Word의 영향도 큰 편임 아포스트로피 오타는 변명의 여지가 없다는 점을 지적함

  • Kitagawa 교수의 <takumigokoro>(匠心, 장인의 마음)에 대해, 참조된 도가의 장자 이야기가 좀 더 설명될 필요가 있음 목수 루반이 복잡하지만 유용한 구조물을 잘 만들지만, 유용함만을 추구하다보니 결국 궁극적으로 원했던 불멸을 얻지 못하게 되는 전설을 들려줌 장자는 루반이 ‘쓸모 없음의 쓸모’를 깨닫지 못했다 생각하지만, 실제로 루반은 장인들에게서 신으로 추앙받게 됨

  • 유기화학으로 재료를 디자인하는 가장 멋진 방식은 자신의 작은 레고 블록을 설계하고, 이것들이 저절로 엄청나게 큰 구조로 조립되도록 하는 것임

    • 자연은 이미 5억 년 전에 그 방법을 알아냈다는 식으로 농담함

  • 만약 기대한 대로 실용화된다면, MOF 응용 분야는 정말 굉장할 것임

    • 사막에서도 공기에서 물을 얻을 수 있다면 엄청난 변화임, 혹시 공기가 너무 건조해지지 않을까 싶긴 하지만 관리가 가능할 것임

    • CO2를 지하에 저장해서 온실가스 문제를 해결할 수 있는데, 이미 천연가스 산업에서 가스 포집 기술이 있음 대기 중에서 순수 CO2만 포집하는 방법만 찾으면 되는데, MOF가 이를 실현해줄 최고의 기술이 될 것으로 기대함

    • 대기 중 순수 CO2를 포집하는 데 드는 자원이 상상 이상으로 막대할 것임을 지적함

    • 공기에서 물을 뽑아내는 기술이 더 좋은 제습기로 연결될 수 있을지 질문함

  • 기사에 사용된 단위가 헷갈림 예를 들어, "몇 그램의 MOF-5가 축구장만한 면적을 가진다"는 식인데, 그램은 질량 단위고 축구장은 2차원 면적인데 둘이 무슨 관계인지 모르겠음 MOF-5 몇 그램이 1기압에서 축구경기장만한 공간을 채울 수 있을 정도의 기체를 담는다는 건가 싶지만, 너무 과하게 해석하는 느낌임

    • 이건 내부 표면적에 대한 얘기임. 예를 들면, 스위스치즈 10g이 그 속 구멍의 표면적이 얼마인지를 계산하는 것과 비슷함

    • 축구장 크기의 아주 얇은 담요를 구겨 아주 작은 공으로 만든다고 상상해 보면 이해하기 쉬움

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