[고든 정의 TECH+] 마법의 신소재 금속유기구조체(MOFs)…물 부족 문제 해결사 될까?

금속유기구조체(metal-organic framework, MOFs)는 금속과 유기물이 격자 모양으로 결합한 물질로 여러 가지 독특한 성질을 지녀 과학자들의 주목을 받고 있습니다. 가장 흥미로운 성질은 스펀지처럼 구멍이 많은 다공성 미세 구조로 내부 면적이 매우 넓다는 것입니다. 1g에 불과한 금속유기구조체 내부 면적은 축구장만큼 넓습니다. 따라서 다양한 물질을 선택적으로 내부에 담을 수 있습니다. 금속유기구조체를 이용하면 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 포집하고 청정 에너지이지만 다루기 힘든 수소도 쉽게 저장할 수 있습니다.

최근 주목받고 있는 새로운 응용 분야는 금속유기구조체를 이용해서 대기 중 수증기를 수집하는 것입니다. 아무리 건조한 사막 지역이나 비가 잘 오지 않는 건조 지대라도 대기 중에는 상당한 양의 수증기가 있습니다. 하지만 습도가 낮은 공기에서 수증기를 추출하기 위해서는 상당한 에너지가 필요합니다. 금속유기구조체는 약간의 에너지만으로도 건조한 공기에서 물을 수집할 수 있어 물 부족 지역에서 새로운 수자원 공급 방식이 될 수 있습니다.

작년 존스홉킨스 응용물리연구소 (APL) 과학자들은 1㎏의 금속유기구조체를 이용해 공기에서 하루 최대 8.66ℓ의 물을 수집할 수 있는 기술을 개발했습니다. 연구팀이 개발한 금속유기구조체 시스템은 태양 에너지를 사용해 물을 수집하기 때문에 별도의 전원 없이 사막이나 건조 지대에서 사용할 수 있다는 것이 가장 큰 장점입니다. 물론 밤에는 물을 생산할 수 없다는 단점이 있으나 별도의 동력 없이 태양 에너지만 사용해서 작동할 수 있어 전력 공급이 여의치 않은 오지나 개도국에서 매우 유리한 방법입니다. 그런데 여기서 한 걸음 더 나아가 아무런 에너지 없이 대기 중 수증기를 물로 바꾸는 방법도 나왔습니다.

국립 싱가포르 대학 호김 웨이 교수가 이끄는 연구팀은 물을 끌어들이는 성질을 지닌 금속유기구조체와 물을 밀어내는 성질을 지닌 에어로겔(Aerogel)을 결합한 하이브리드 스펀지를 이용해 공기 중 수증기를 물로 응결시키는 시스템을 개발했습니다. (사진) 자연적으로 수증기를 끌어들인 후 물방울이 맺히면 밖으로 스스로 흘러나오는 방식입니다. 이 시스템은 습도가 높은 환경에서 1㎏당 하루 최대 17ℓ의 물을 만들 수 있습니다. 연구팀은 1440시간 동안 시스템을 테스트해 WHO 기준에 부합하는 마실 물을 생산할 수 있다는 것을 보여줬습니다. 이 연구는 저널 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 실렸습니다.

사실 물 부족 문제는 사막 국가에서만 일어나는 일은 아닙니다. 안심하고 마실 수 있는 깨끗한 물이 부족한 지역은 의외로 많습니다. 싱가포르 연구팀이 개발한 시스템은 별도의 전력도 필요 없고 일조량이 부족한 지역에서도 사용할 수 있어 더 범용성을 지닐 수 있을 것으로 기대됩니다.

과학자들은 수증기를 수집하는 금속유기구조체가 마실 수 있는 물 생산이라는 목적 이외에도 다양한 가능성이 있다고 보고 있습니다. 예를 들어 소음 없이 습기를 제거하는 저전력 제습기나 공기 중 물을 흡수해 에어컨 실외기를 식히는 고효율 에어컨 시스템 등 여러 가지 응용이 가능합니다.

다만 이런 장밋빛 꿈이 현실이 되기 위해서는 수증기를 효과적으로 흡수할 수 있을 뿐 아니라 저렴하고 내구성이 좋은 금속유기구조체를 대량생산할 수 있어야 합니다. 몇 년 내로 상용화되기는 어렵지만, 지금 같은 연구가 계속된다면 언젠가 금속유기구조체가 물 부족 문제의 해결사로 등장할 날이 올지도 모릅니다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com