MOF(Metal-Organic Framework)는 아주 작은 크기의 금속 구조체예요.
겉은 소금 같은 결정이지만, 안에는 머리카락 단면보다도 수백만 배 더 작은 구멍들이 있어요.
이 구멍에 물과 가스가 저장됐다가 배출되기도 하는데, 그 원리와 쓰임은 무엇일까요?
MOF가 분자를 흡수하는 원리
기존에는 특정 분자를 거르는 필터의 용도로 제올라이트 등 광물을 주로 썼다. 제올라이트는 미세한 구멍이 많지만 광물이라 구조를 바꿀 수는 없었다. 그러나 MOF는 구조 자체가 유연하게 움직여서 가스나 물 등의 분자를 자유롭게 모았다가 뱉어낼 수 있다.
1g에 축구장 하나가 쏙
MOF의 가장 큰 특징은 수 nm(나노미터) 크기의 무수한 구멍이 있어서 다양한 분자를 담았다가 꺼낼 수 있는 거예요. 이를 ‘다공성 결정 구조’라고 해요.
MOF의 재료는 철, 아연 등 금속 이온과 이를 연결하는 유기 분자예요. 금속 이온은 주변의 원자와 특정한 각도로 결합하려는 성질이 있어요. 탄소를 기반으로 수소, 산소 등이 길쭉하게 이어진 유기 분자는 금속 이온과 양쪽 끝에서 결합해 여러 금속 이온을 이어주죠. 이렇게 금속 이온과 유기 분자가 반복해서 이어지면 격자 형태의 규칙적이고 안정된 틀, MOF가 생깁니다. 유기 분자가 금속 이온을 잇다가 생긴 공간 때문에 스펀지처럼 구멍이 숭숭 난 구조가 되죠.
이렇게 구멍이 많으면, 부피는 같고 구멍이 없는 물체보다 표면적이 훨씬 넓어져서 더 많은 분자를 모을 수 있어요. MOF 1g의 표면적은 약 1000~2000m2으로 축구장 하나와 맞먹어요. 이렇게 넓은 면적을 활용해서 대기의 이산화탄소를 잡아 모으거나, 물이 부족한 지역에서 공중의 물을 모아 쓰는 등 다양하게 응용할 수 있어요.
1989년, 호주의 화학자 리처드 롭슨은 탄소 원자로만 이루어진 다이아몬드 구조를 흉내 내 새로운 물질을 만들어 보기로 했어요. 양전하를 띤 구리 이온 네 개와 결합하고, 구조를 이어 한 결정을 만들었죠. 최초의 MOF가 탄생한 순간이었어요. 그러나 롭슨 교수가 만든 MOF는 불안정해 구멍에 담았던 분자를 꺼내면 골격이 무너진다는 단점이 있었어요.
1997년, 일본의 화학자 기타가와 스스무는 기체 분자가 자유롭게 드나드는 MOF를 만들었어요. 분자가 빠져나가도 골격이 무너지지 않도록 금속 이온과 유기 분자의 결합을 더 단단하게 하고, MOF 주변 환경을 조절했죠. 이 MOF는 물 분자를 가뒀다가 꺼낸 후 물 대신 가스를 채워 재활용할 수 있을 만큼 활용도가 좋았어요. 이후 기타가와 교수는 MOF가 내부의 기체 여부, 주변 온도나 빛 등 환경 변화에 따라 모양을 바꾸고 움직일 수 있는 점도 밝혀냈어요. 하지만 이때까지도 MOF는 열에 약하고, 구멍의 크기나 형태를 자유롭게 설계하기 어렵다는 단점이 있었어요.
가장 주목 받은 MOF는 1999년 미국의 화학자 오마르 야기가 발표한 아연 기반의 MOF-5예요. 아연 뭉치를 300°C까지 가열해도 안정적이었고, 구멍 안의 분자를 꺼내도 거뜬히 버텼어요. 아연 이온 한 개 대신 더 견고한 아연 뭉치를 유기 분자와 연결해, 길이를 늘리거나 다른 형태로 바꿔도 무너지지 않도록 했죠. 덕분에 MOF의 구조를 원하는 모양으로 설계할 수도 있었어요. 야기 교수의 MOF는 전 세계 표준 모델이 되었어요. 덕분에 이후 연구자들이 금속 종류를 바꾸고, 연결 형태를 다양하게 조절하며 수만 가지의 MOF를 만드는 데 기여했답니다.
최초의 MOF 구조
MOF가 쓰이는 예시
MOF-303으로 만든 물을 마시는 연구원.
점토를 섞어 만든 MIL-101 조각. 액체에 섞인 비소를 제거하는 데 쓰인다.
