2025 노벨 화학상, 금속-유기 프레임워크의 개척자들에게 수여
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2025년 노벨 화학상을 금속-유기 프레임워크(MOFs)의 개척자들인 수스무 기타가와, 리처드 롭슨, 오마르 야기에게 수여했다.
노벨 위원회는 MOFs를 tiny molecules가 들어가고 나올 수 있는 “호텔의 방”에 비유하며 그 중요성을 강조했다.
이들은 1980년대 후반에 이 분야를 개척하였고, 이들의 연구는 전 세계에서 MOFs에 대한 연구 붐을 일으켰다.
텍사스 주 대학교 달라스 캠퍼스와 같은 북텍사스 기관에서도 활발한 연구가 진행되고 있다.
UT 달라스의 화학 및 생화학 부교수인 로널드 스말돈은 “이런 연구를 시작한 사람들이 MOFs를 통해 폴리머와 백신, 물 정수와 같은 것들이 만들어질 것이라고 상상했을지는 모르겠다”고 말했다.
“하지만 여기 우리는 그런 일들을 하고 있다.”
MOF란 무엇인가?
MOFx는 원자 규모에서 레고와 같은 구조로 구성되어 있다.
금속과 탄소 기반의 연결고리로 이루어져 있으며, 반복 패턴으로 결합하여 3D의 동공이 있는 공간을 만들어낸다.
초기 연구에서는 MOFs를 수소 및 메탄과 같은 에너지 관련 기체를 저장하는 탱크처럼 활용되도록 했다.
스말돈은 “이 ‘슈퍼 스폰지’는 배터리, 슈퍼커패시터, 연료 전지 등에서 그 가능성을 보여주며, 이들은 내부 공간이 방대하여 이온이 더 빠르고 쉽게 이동할 수 있게 한다”고 설명했다.
PFAS 제거의 가능성
UT 달라스의 화학 및 생화학 부교수인 마리오 우리드트는 MOFs의 가능성은 배터리를 넘어선다고 강조했다.
그에 따르면, 이러한 3D “방”은 PFAS(과불화화합물, 폴리불화화합물)를 포획하는 핵심이 될 수 있다.
PFAS는 분해되는 데 수천 년이 걸릴 수 있는 인공 화학 물질로, 소비자, 상업, 산업 제품에서 거의 모든 곳에 존재하고 있다.
일부 PFAS에 노출되면 인간과 동물 모두에게 해로운 건강 영향을 미칠 수 있다.
우리드트의 연구팀은 MOFs를 미세 조정하여 PFAS를 보다 효율적으로 포획하는 작업을 하고 있다.
그들은 MOFs의 동공 크기를 조절하고 PFAS에 강하게 결합할 수 있는 화학 “핸들”을 추가하여 이를 달성하고 있다.
“현재 실험실에서 여러 MOFs가 최신 기술로 만들어진 소재보다 성능이 우수하다”고 우리드트는 주장했다.
“기록적인 PFAS 제거 용량과 초속도로 이를 제거하는 기술을 보유하고 있다.”
우리드트의 장기적인 비전은 MOF층을 포함한 물 정수 시스템을 만드는 것이다.
이 시스템은 PFAS가 지나갈 때 이를 정화하는 역할을 한다.
또한 그는 PFAS 오염이 우려되는 현장에서 물 질을 확인할 수 있는 휴대용 MOF 기반 테스트를 구상하고 있다.
면역 체계 증진
일부 MOFs는 중요한 의약품과 백신을 운반하며 면역 체계를 올바른 방향으로 유도한다.
UT 달라스의 화학 및 생화학 부교수인 제레미아 가센스미스는 “우리는 금속이 면역 체계에 중요한 역할을 한다는 것을 알고 있다”고 설명했다.
MOFs의 금속을 변경할 수 있기 때문에 “무한한 가능성”이 존재한다고 그는 덧붙였다.
가센스미스의 연구실에서는 아연으로 만들어진 MOFs를 사용하여 백신에 들어가는 단백질을 보호하는 외피를 제작하고 있다.
MOF는 단백질의 분해와 열과 같은 어려운 환경에서 이를 보존하며, 아연은 단백질에 대한 면역 체계의 반응을 향상시킨다.
가센스미스는 반복적인 요로 감염에 대한 MOF 기반 백신과 결핵에 대한 MOF 기반 치료법을 개발하고 있다.
그의 연구실은 이미 압축 공기를 사용하여 MOF 기반 백신을 전달하는 방법을 테스트했다.
이 방법은 언젠가 바늘에 두려움을 느끼는 사람들이 대체할 수 있는 방법이 될 수 있다.
공기 정화
스말돈도 우리드트와 마찬가지로 MOFs를 이용해 해로운 화학 물질을 포획하는 데 주력하고 있으나 이를 파괴하는 것에도 초점을 맞추고 있다.
그의 팀은 MOFs가 포함된 폴리머를 3D 프린팅하여 공기 중의 독성 화학 물질을 포획하고 분해할 수 있는 물질을 만들어내고 있다.
스말돈은 “현재 우리는 육군과 협력하여 독성 화학 물질이나 화학 전쟁 agents를 분해할 수 있는 필터를 개발하고 있다”며 “이를 통해 마스크나 필터 장치로 사용할 수 있다”고 말했다.
군사 목적 외에도 스말돈은 MOF 폴리머가 공기 오염 문제를 해결하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
묶음 마스크, 환기 필터, 독립형 장치 등 다양한 방식으로 활용될 수 있으며, 이는 천식 증상을 악화시키고 궁극적으로 암 위험을 증가시킬 수 있는 만성 노출을 줄일 수 있다.
마지막으로, 스말돈은 MOFs에 대한 현재 연구가 과학적 탐구의 출발점으로서 호기심의 중요성을 강조하고 있다고 전했다.
“초기에는 야기, 롭슨, 기타가와 그룹이 단순히 조정 화학을 연구하고 재료를 만드는 방법을 알아내고자 했다.
기본 연구는 매우 중요하다.
어떤 방향으로 나아갈지 아무도 알 수 없다.
여기 우리는 몇 가지 분자를 혼합하고 있고, 이제는 백신, 필터 및 폴리머를 만들고 있는 상황이다.”
이미지 출처:dallasnews