새 분자구조 '금속-유기 골격체'…"헤르미온느 가방에 비견되는 잠재력"

지구온난화 등 대응 인류난제 해결 단초 마련한 공로 평가

영국 태생의 리처드 롭슨(88) 노벨상 수상자(세 사람 중 한 명)가 금속-유기 프레임웤스(metal-organic framework) 모형도를 들어보이고 있다. (사진 : 재직 중 호주 멜보른 대학교)

노벨 화학상은 세 사람의 혁명적인 다공성 물질의 창조자들에게로 돌아갔다. 이 물질은 사막의 허공 중에서 물을 거둬 들일 수도 있고, 이산화탄소를 산업 기기들로부터 잡아넣을 수도 있으며, 물에서 유독물질들을 제거할 수도 있다.

수수무 키타가와(74) 교툐 대학교 교수, 리처드 롭슨(88) 멜보른 대학교 교수, 그리고 오마르 M. 야기(60) 미국 UC버클리대 교수는 11m 스웨덴 크로네 (Swedish kronor, 약 £871,400) 16억 6,163만 7,804원을 스톡홀름의 스웨덴 왕립 과학 아카데미로부터 수여했고, 세 사람이 공평하게 셋으로 나눌 예정이다.

영예의 트리오는 금속 이온들과 유기 분자들을 결합하는 방법으로 고도의 다공성 구조물체를 만드는 방법을 발견한 과학자들이다. 이 구조체는 액체들도, 가스들도 흘러들고 날 수 있는 그런 것이다. 수 만가지로 그러한 물질들이 응용체로 만들어졌으며, 수소를 저장하거나, 화학물질들을 물에서 영구히 제거해 버린다거나, 중요하고 희귀한 지구 금속들을 쓰레기로부터 되돌려 놓는 것까지로 응용되고 있다.

세 과학자들은 "금속-유기-프레임웤스(metal-organic frameworks), 혹은 MOFs의 개발"로 영광의 수상에 이르게 된 것으로, 그들이 칭해 오건데 (무려) '21세기 물질'로의 잠재력을 가진 그런 것이다.

노벨상을 발표하며 하이네 링케 교수, 노벨 위원회 화학부문 의장은, "그들은 물체들, 사실상 그야말로 위대하고도 신박(novel)하게도 거대한 공동(空洞)을 그 내부에 가진 물체들을 '창조'해 내는 방법들을 발견한 분들입니다. 그게, 거의 호텔 내부의 방들 같이 보이기도 하는데, 게스트인 물질의 분자들이 들어갔다 또 나왔다를 그 같은 물체에서 그게 가능한 물체라는 것입니다."라고 말했다.

"그 물질, 물체의 작은 양이, 거의 <해리포터>의 헤르미온느의 가방 같습니다. 그게 어마어마한 양의 가스를 아주 작은 부피 속으로도 저장도 가능합니다."

(중략)

런던 임페리얼 칼리지의 화학교수 벡키 그린어웨이 박사는 "수 많은 화학자들이 과연 언제 '금속-유기-프레임웤스'가 노벨상을 받게 되나 궁금해 왔습니다, 그 일이 마침내 현실로 일어났네요."라고 말했다.

"그들의 발견은 응용체들의 전역을 가능케 해왔어요, 가스 저장과 분립들은 물론 의약품 배달까요, 그리고 또 다른 영역들까지를 열어 개방시킨 겁니다. 다공성 액체들까지요. 이게, 구멍 홀들을 가진 액체인데요, 탄소 포집과 촉매화 등에 있어 장래성이 약속된 물질입니다."

(번역 중략 부분 아래 The Gaurdian 전문 옮겨둡니다.)

The Nobel prize in chemistry has been awarded to three scientists who created revolutionary porous materials that can harvest water from desert air, capture carbon dioxide from industrial facilities and remove toxins from water.

Susumu Kitagawa, of Kyoto University, Richard Robson, of the University of Melbourne, and Omar Yaghi, of the University of California, Berkeley, shared the 11m Swedish kronor (about £871,400) prize awarded by the Royal Swedish Academy of Sciences in Stockholm.

The trio found ways to combine metal ions and organic molecules into highly porous structures through which liquids and gases could flow. Tens of thousands of such materials have since been made for applications ranging from storing hydrogen to removing forever chemicals from water and recovering valuable rare earth metals from waste.

The scientists were honoured “for the development of metal-organic frameworks”, or MOFs, which have such potential that they have been called the material of the 21st century.

Speaking at the prize announcement, Prof Heiner Linke, the chair of the Nobel committee for chemistry, said: “They have found ways to create materials, entirely novel materials with large cavities on the inside, which can be seen almost like rooms in a hotel, so that guest molecules can enter and also exit again from the same material.

“A small amount of such material can be almost like Hermione’s handbag in Harry Potter. It can store huge amounts of gas in a tiny volume.”

The research began in 1989 with Robson, a chemist born in Glusburn, West Yorkshire, who moved to Australia after studying at Oxford and Stanford universities. Inspired by the structure of diamonds, he combined copper ions with a four-armed molecule to make pyramid-shaped molecules. These bonded together to form crystals strewn with cavities.

Robson realised the potential for the structures but they were unstable and tended to fall apart. It took further work from Kitagawa and Yaghi to turn metal-organic frameworks into the valuable materials they are today.

Kitagawa showed that similar structures based on cobalt, nickel and zinc were not only stable but could be used to store and release methane, nitrogen and oxygen. He went on to show that MOFs could be tailored to different tasks and even made from flexible materials.

Reached by the Nobel committee, Kitagawa said he was “deeply honoured and delighted” to receive the prize. Asked about his hopes for the future, Kitagawa said he wanted to use MOFs to extract important elements such as carbon and oxygen from the air and with green energy turn them into useful materials. “This is my dream,” he said.

Yaghi became fascinated with chemistry at the age of 10 after sneaking into the school library, which was usually locked, and plucking a book at random from the shelves. He was brought up with his siblings in a single room in Amman, Jordan, with no running water or electricity. At his father’s insistence he went to study in the US.

Frustrated with the traditional way of building new molecular structures, Yaghi developed a more precise approach that was more like assembling pieces of Lego into large crystals. In the 1990s, he revealed MOFs that resembled nets held together with copper or cobalt. Later, he created an extraordinary zinc-based MOF. A couple of grams held an area as large as a football pitch, meaning it could absorb a vast amount of gas for its size.

Dr Becky Greenaway, a chemist at Imperial College London, said: “Lots of chemists have been wondering when metal-organic frameworks would get the Nobel prize, and it’s finally happened.

“Their discovery has enabled a whole range of applications, from gas storage and separations to drug delivery, and also opened up other areas, including porous liquids – liquids with holes in – which are showing promise in carbon capture and catalysis.”

노벨상 위원회가 영예의 노벨 화학상 수상자를 발표했다. ; 좌측으로부터 수수무 키타가와, 리처드 롭슨, 그리고 오마르 야기 (사진 : 가디언지)

한편, 기타가와 교수의 노벨화학상 수상으로 일본은 생리의학상에 이어 올해 과학 분야에서만 노벨상 2관왕을 이뤘다.6일 발표된 노벨생리의학상 수상자 3인에는 사카구치 시몬 일본 오사카대 석좌교수가 포함됐다.

키타가와 교수는 수상 소식이 전해지자 "매우 영광스럽고 또 기쁘다"고 전한 것으로 알려졌다. 장래에 대한 그의 희망에 대하여 질문을 받자 그는 "MOFs를 이용해서 탄소나 산소같은 중요한 요소들을 공기로부터 추출해 내고 또 청정 에너지를 활용하여 그것들을 유용한 물질들로 만들어놓고 싶다." " 이것이 내 꿈이다"라고 그는 말했다.

참고로, 공동 수상자인 롭슨 교수는 영국 태생, 야기 교수는 팔레스타인계 부모를 둔 요르단 태생으로 요르단·미국·사우디아라비아 국적을 보유한 것으로 전해졌다.

노벨위원회는 생리의학상, 물리학상에 이어 화학상을 발표했고, 9일에는 문학상, 10일에는 평화상, 13일에는 경제학상 수상자가 발표된다.