금속과 유기물의 합작품 mof

금속유기골격체는 금속 이온과 유기 분자가 규칙적으로 이어져 만들어진 결정성 물질이다. 영문 약자를 따 MOF라 부른다.

구조

금속 이온이 연결점 역할을 하고, 막대 모양의 유기 분자가 그 사이를 잇는다. 마치 기둥과 보로 짠 건축물처럼 삼차원 그물이 만들어진다.

이 구조의 대부분은 빈 공간이다. 부피의 절반 이상이 비어 있는 경우도 있다. 그 결과 표면적이 극단적으로 커진다. 1그램의 표면적이 수천 제곱미터에 이르는 종류가 보고돼 있다.

설계할 수 있다

MOF의 특징은 구멍의 크기와 성질을 의도적으로 조절할 수 있다는 점이다.

유기 분자를 더 긴 것으로 바꾸면 구멍이 커진다. 유기 분자에 특정 작용기를 달면 구멍 안쪽의 화학적 성질이 바뀐다. 물을 좋아하게 만들 수도, 특정 기체와 잘 결합하게 만들 수도 있다.

지금까지 합성된 종류는 수만 가지를 넘는다. 조합의 수가 사실상 무한에 가깝다는 점이 이 분야가 빠르게 넓어진 이유다.

기체를 담다

가장 먼저 기대된 용도는 기체 저장이다.

수소나 메테인을 연료로 쓰려면 많은 양을 작은 부피에 담아야 한다. 압축하거나 액화하는 방법은 에너지가 많이 든다. MOF의 넓은 표면에 기체 분자를 붙여 두면 낮은 압력에서도 많은 양을 담을 수 있다.

기체를 분리하는 데에도 쓰인다. 구멍의 크기를 특정 분자만 통과할 수 있게 맞추거나, 특정 분자와 더 잘 결합하도록 설계하면 혼합 기체에서 원하는 성분만 붙잡을 수 있다.

배기가스에서 이산화탄소를 분리하는 용도가 활발히 연구되고 있다. 기존 방식은 액체 흡수제를 쓰는데, 흡수한 이산화탄소를 다시 떼어낼 때 열이 많이 든다. MOF는 이 에너지를 줄일 수 있다는 기대가 있다.

공기에서 물을 모으다

사막처럼 건조한 곳의 공기에도 수증기는 있다. 습도가 낮으면 일반적인 방법으로는 모으기 어렵다.

일부 MOF는 낮은 습도에서도 수증기를 붙잡고, 약간의 열만 가하면 다시 내놓는다. 밤에 수증기를 모으고 낮에 햇빛으로 데워 물을 얻는 장치가 시험됐다.

다만 한 번에 얻는 물의 양이 많지 않고, 재료를 대량으로 값싸게 만드는 문제가 남아 있다.

실용화의 걸림돌

많은 MOF가 물에 약하다. 습기에 노출되면 금속과 유기 분자의 결합이 끊어져 구조가 무너진다. 실제 환경에서 쓰려면 이 문제를 해결해야 한다.

대량 생산도 과제다. 실험실에서 밀리그램 단위로 만드는 것과 공장에서 톤 단위로 만드는 것은 다른 문제다. 결정의 품질을 유지하면서 규모를 키우는 공정이 필요하다.

일부 종류는 이미 상업적으로 생산되고 있으며, 반도체 공정용 기체 저장 등 한정된 용도에서 쓰이고 있다.