当地时间10月8日11时45分，2025 年诺贝尔化学奖公布，授予北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）和奥马尔·亚吉（Omar Yaghi），以表彰“他们对金属-有机框架的发展”。三位获奖者创造了一种具有巨大空间的分子结构，使气体和其他化学物质能够在其中流动。这些结构被称为金属有机框架（metal-organic frameworks，简称 MOF），可用于从沙漠空气中提取水分、捕获二氧化碳、储存有毒气体，或催化化学反应。三位获奖者发展出一种全新的分子结构架构形式。在他们的设计中，金属离子充当“角石”，由长链有机（以碳为基础的）分子相互连接。金属离子与有机分子共同组装成具有大量空腔的晶体结构。这种多孔材料被称为金属有机框架（MOF）。通过改变 MOF 所采用的构筑单元，化学家可以定向设计出能够捕获和储存特定物质的材料。MOF 还可以驱动化学反应或导电。诺贝尔化学奖评审委员会主席 海纳·林克（Heiner Linke） 表示：“金属有机框架具有巨大的潜力，为定制化的新功能材料带来了前所未有的可能性。”在三位得主的奠基性发现之后，化学家们已经构筑出数以万计不同类型的 MOF。其中一些材料有望为人类解决重大挑战提供助力，其应用包括：从水中分离全氟和多氟烷基物质（PFAS），分解环境中的微量药物残留，捕获二氧化碳，以及从沙漠空气中提取水分等。重庆大学化学化工学院教授李存璞对《返朴》杂志表示，“本次诺贝尔奖所表彰的 MOF（金属有机骨架）工作，是连接无机化学与有机化学的关键成果。其核心在于利用金属离子作为连接中心，引导有机配体精确组装形成具有高度有序性的多孔晶体结构（即 MOF 材料）。对于我们能源领域而言，MOF 最大的应用价值体现在其作为碳材料和掺杂碳材料的理想模板。MOF 材料组装成的结构，在惰性气氛下经过高温“烧结”（热解）处理后，由于金属离子与有机配体的精确配位和相互作用，其结构会发生定向塌陷。这一过程可以得到具有特殊形貌和高比表面积的碳基材料。更重要的是，MOF 材料确保了金属离子在碳骨架中的原子级均匀分散或均匀掺杂。由此获得的均匀掺杂和特殊形貌的 MOF 衍生碳材料，在储能化学（尤其是基于电容层的储能技术）等领域展现出独特的应用优势。”“总结而言，MOF 材料的获奖意义在于其在吸附分离领域中发挥了至关重要的作用，并通过作为碳材料模板，极大地拓展了其在能源、催化和材料科学中的广泛应用潜力。”获奖者简介他们的分子结构中，蕴藏着“化学反应的房间”北川进（Susumu Kitagawa），1951 年出生于日本京都，1979 年获日本京都大学博士学位，现任京都大学教授。理查德·罗布森（Richard Robson），1937 年出生于英国格鲁斯本，1962 年获英国牛津大学博士学位，现任澳大利亚墨尔本大学教授。奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi），1965 年出生于约旦安曼，1990 年获美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士学位，现任美国加利福尼亚大学伯克利分校教授。他们为化学开辟了新的疆域 2025年诺贝尔化学奖授予北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）、奥马尔·亚吉（Omar Yaghi ），以表彰他们创造了一种新的分子结构类型——“金属-有机框架”（metal-organic frameworks，MOF）。这种结构内部具有可供分子进出的巨大空腔，利用这种结构，研究人员已经实现了从沙漠的空气中收集水分，从水中提取污染物、捕获二氧化碳，以及储存氢气等多种应用。如果让一位房产中介为MOF下一句通用介绍语，他大概会这样说：“这是一间很有吸引力也很宽敞的公寓，仿佛是专门为‘水分子’量身打造的宜居空间。”同类型的其他结构可能会被描述为“为捕获二氧化碳量身打造”“为分离PFAs（全氟和多氟烷基物质）量身打造”“为药物的靶向输送而量身打造”或者“为剧毒气体的安全处理而量身打造”。有的MOF结构可以捕集水果释放出来的乙烯气体，起到延缓水果成熟的作用；还有的可以封装特定的酶，以分解环境中的微量抗生素。图1简而言之，MOF具有非凡的应用价值。北川进、理查德·罗布森、奥马尔·亚吉首创了MOF这种结构并揭示了其应用潜力，因而被授予2025年诺贝尔化学奖。基于他们的工作，全球化学家如今已设计出数万种功能各异的MOF材料，催生了一个又一个化学领域的奇迹。如同科学史上许多重大突破，2025年诺贝尔化学奖的获奖成果也起源于超越常规的思维——这一次，灵感迸发于一节寻常化学课的备课过程，当时师生们正用球棍模型搭建分子结构，而获奖者却从中窥见了分子建筑学的全新可能。一个简单的木质模型，催生了一个重大发现时值1974年，任教于澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森受托将木球制成原子模型，供学生构建分子结构。为此，他需要校办车间在木球上钻孔用以插接代表化学键的木棍。这些孔洞的定位绝非随意——碳、氮、氯等每种原子形成化学键的方式都具有特定规律，罗布森必须精确标定每个钻孔的位置。当车间送回钻完孔的木球后，罗布森开始尝试组装分子模型。就在这个过程中，他灵光乍现，意识到这些孔洞的排布方式蕴含着极为丰富的化学信息——由于孔位精确体现了原子成键规律，模型分子自然呈现出正确的三维构型。这一发现催生出更宏大的构想：若能利用原子固有的成键特性来连接不同类型的分子（而非单个原子），是否能够创造出全新类型的分子结构？构筑创新性的化学结构年复一年，当罗布森取出这些木制模型给学生上课时，相同的构想总会浮现于脑海。然而直到十余载光阴流逝，他才最终决定付诸实验。他最初的实验方案受到了钻石晶体结构的启发。钻石晶体的每个碳原子与周围四个碳原子形成了微型金字塔形（如图2所示），这个分子结构非常简单，罗布森就从这个简明的模型入手。他的目标是构建类似结构，但将以带正电荷的铜离子（Cu⁺）为基础，因为铜离子与碳原子相似，也倾向于与四个相邻原子形成配位键。他将铜离子与一种四臂分子4′，4″，4”’，4””-四氰基四苯基甲烷结合——其实你无须记住这个复杂名称，你只要知道这种结合的“奥义”在于每个分子臂末端的氰基化学基团能与带正电的铜离子相互吸引（图2）。图2. 理查德·罗布森受钻石结构启发（钻石中每个碳原子均与四个相邻碳原子键合形成金字塔形），采用铜离子与四臂分子进行组装，每个分子臂末端的氰基对铜离子具有天然亲和力。当这些物质结合时，它们自发形成了结构有序且拥有巨大空间的三维晶体。当时多数化学家认为，铜离子与这种四臂分子结合只会形成杂乱无章的混合物。但结果却验证了罗布森的预想：正如他所推测的那样，离子与分子间的内在引力主导了组装过程，它们自发排列成宏观的分子结构；而且与钻石中碳原子的排列类似，它们形成了规整的晶体结构。但不同于钻石的是，这种晶体内部并非致密，而是蕴含着大量空腔（图2）。1989年，罗布森在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）发表了这项突破性的化学发现。他在文中展望未来，指出这项发现或许能为材料构建开辟全新路径，并写道：“此类材料可能获得前所未有的特性，其中或蕴含巨大应用潜力。”事实证明，他预见了未来。罗布森：“开路先锋”在他那篇开创性论文发表的第二年，罗布森陆续展示了多种新型分子结构，这些结构中的空腔可以容纳不同物质。例如，他利用其中一种结构实现了离子交换实验，即将载有离子的晶体浸入含异种离子的溶液，观察到离子发生定向置换，首次证实了部分物质在这种分子结构中可自由穿行。通过系列实验，罗布森证明了理性设计能够构建具有宽敞内腔的晶体，并实现针对特定化学分子的优化适配。他前瞻性地指出，这种新型分子结构经过精准设计后，或将用于催化化学反应。尽管罗布森的初期构造物稳定性欠佳，较易分解，令许多化学家视其为无用之作，但仍有学者洞察到其中蕴含的革命性。正是这些前瞻构想，唤醒了化学界一系列“开疆拓土”之作。最终为这一愿景奠定坚实基础的，是分别于1992~2003年取得突破性发现的北川进与奥马尔·亚吉，现在，让我们将目光转向20世纪90年代的近畿大学——在那里，北川进的研究正悄然开启新纪元。北川进的座右铭：“无用之用，方为大用”在整个科研生涯中，北川进始终遵循一个重要原则：尝试发掘“无用之物的价值”。年轻时，他读过诺贝尔奖得主汤川秀树的著作。书中引用了中国古代哲学家庄子的观点——我们必须质疑那些被认为有用的东西。即便某物未能即刻带来益处，终将显现其价值。因此当北川进开始探索多孔分子结构的潜力时，他并不认为这些结构必须具备特定用途。1992年他首次展示的分子构造确实实用性有限：这种二维材料内部存在空腔，仅能容纳丙酮分子藏匿其中。然而这项成果源于分子构建艺术的新思维方式。与罗布森相似，他采用铜离子作为基石，通过大分子将其连接起来。北川进希望继续探索这项新型构造技术，但申请科研经费时，资助方认为他的目标缺乏实质意义。由于所创材料不稳定且无实际用途，他的多数提案遭到拒绝。图3. 1997年，北川进成功制备出一种具有开放通道的金属-有机框架材料。这些通道可充入不同类型的气体，且材料在释放气体时其结构不会受到影响 然而他并未放弃，1997年迎来了首次重大突破。他的研究团队利用钴、镍或锌离子与名为4，4′-联吡啶的分子，创造出由开放通道交错的三维金属-有机框架（图3）。当他们将其中一种材料干燥——即排出其中的水分——该材料保持稳定，其空隙甚至能被气体填充。该材料能吸收并释放甲烷、氮气和氧气，且不改变形状。北川进洞察到其创造物的独特性尽管北川进的构造体兼具稳定性与功能性，但研究资助方仍未能领略其魅力。原因之一在于化学界已有硅酸盐构成的沸石——这种稳定多孔材料本可实现气体吸附，为何还要开发性能逊色的类似材料？图4. 1998年，北川进提出金属-有机框架材料可制成柔性结构。如今已有众多柔性MOF材料能随物质填充或排出而改变形态北川进深知，若想获得重大科研资助，必须明确金属-有机框架材料的独特价值。因此，他在1998年的《日本化学会会报》中阐述了这一愿景。他列举了MOFs的多重优势：例如可由多种分子构建，蕴含着整合不同功能的巨大潜力。更重要的是——他意识到MOFs能够形成柔性材料。不同于通常呈刚性结构的沸石，MOFs由柔性分子单元构成（图4），能形成可塑性材料。此后他只需将构想付诸实践。北川进与其他研究者着手开发柔性MOFs。与此同时，我们将目光转向美国——奥马尔·亚吉也在致力于将分子架构推向新高度。一次秘密图书馆之行开启亚吉的化学启蒙选择化学并非奥马尔·亚吉的必然选择。他与众多兄弟姐妹在约旦安曼一间没有电和自来水的房间长大。学校是他艰难生活中唯一的避风港。十岁那年，他偷偷溜进通常上锁的学校图书馆，从书架上随意抽取一本书。翻开书页，那些晦涩却迷人的图画瞬间吸引住他的目光——这是他初次邂逅分子结构。十五岁那年，在父亲严厉的指令下，亚吉赴美求学。化学的魅力逐渐吸引他投身新材料设计领域，但他发现传统构建新分子的方式充满不可预测性。通常，化学家将待反应物质置于容器中混合，再加热容器引发化学反应。目标分子虽能形成，却常伴随大量杂质副产物。1992年，亚吉在亚利桑那州立大学担任首个研究组组长时，便致力于探索更可控的材料制备方法。他的目标是运用理性设计，像拼搭乐高积木般连接不同化学组分，构建大型晶体。这一设想充满挑战，但当研究团队开始将金属离子与有机分子结合时，最终取得了突破。1995年，亚吉发表了两种不同二维材料的结构——它们如同由铜或钴元素连接的网状结构。其中后者可在其空间内容纳客体分子，当空间完全填满时，其稳定性极高，即使加热至350°C也不会坍塌。亚吉在《自然》杂志的论文中首次提出“金属-有机框架”这一术语来描述这种材料。如今该术语用于指代由金属与有机（碳基）分子构成的、具有潜在空腔的延展有序分子结构。奥马尔·亚吉所设计的MOF材料仅需数克即可容纳一个足球场的面积奥马尔·亚吉在1999年首次发表了MOF-5材料，这标志着金属有机框架发展史上的又一里程碑。MOF-5材料已经成为了该领域的经典之作，它是一种具有卓越的空间性与稳定性的分子结构，即使处于空载状态，在300°C高温下仍能保持结构完整而不坍塌。更令人惊讶的是，它内部立方空腔所隐藏的巨大表面积。仅仅几克 MOF-5 的内部表面积就相当于一个足球场，这意味着它能吸附的气体量远远超过沸石材料（zeolite）（见图 5）。与沸石相比，金属有机框架的独特之处还在于它们可以具有柔性结构。仅仅几年后，研究人员就成功开发出“柔性 MOFs”，其中一位正是北川进教授。他所设计的柔性材料在吸收水分子或甲烷后形状会发生变化，而在释放后又能恢复原状。这种材料的行为很像一对“会呼吸的肺”——能吸入和呼出气体，兼具可变性与稳定性。图5. 1999年奥马尔·亚吉构建的MOF-5具有立方空间结构及卓越稳定性，数克材料即可具备足球场级别的比表面积。©Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院奥马尔·亚吉研究团队实现从沙漠空气中提取饮用水2002至2003年间，奥马尔·亚吉通过发表于《Science》与《Nature》的两篇论文，为金属有机框架奠定了最终理论基础。他的研究证实可以通过理性修饰策略对金属有机框架进行定向改造，从而赋予材料不同的特性。他制造了 16 种 MOF-5 的变体，其空腔与原始材料相比或大或小（见图 6）。其中一种变体可用于储存大量甲烷气体，Yaghi 提出这种材料可用于使用压缩天然气燃料的车辆。此后，金属有机框架材料风靡全球。研究人员像玩“分子积木”一样，利用各种“零件”合成出具有不同形状与功能的 MOFs，为基于理性设计或人工智能的定向合成MOFs提供了无限可能。亚吉的研究团队甚至用 MOFs 在亚利桑那沙漠中成功实现了“收集饮用水”：夜间，材料从空气中捕获水蒸气；白天阳光加热后即释放出可收集的液态水。图6. 二十一世纪初，奥马尔·亚吉证实可构建系列化MOF材料。通过调控分子连接体，成功获得具备不同性质的材料，包括16种具有不同孔径的MOF-5变体。©Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院能捕获二氧化碳与有毒气体的 MOF 材料如今，研究人员已开发出多种功能化的 MOF 材料。虽然目前大多仍处于小规模应用阶段，但许多公司已开始投资其规模化生产与商业化，部分领域已取得实质性进展。例如电子工业已利用 MOF 材料储存用于半导体制造的有毒气体；另有特定MOF可降解包括化学武器成分在内的有害气体；多家公司正在测试可从工厂与发电站废气中捕获二氧化碳的MOF材料，以降低温室气体排放。图7. MOF-303可在夜间从沙漠空气中捕获水蒸气，次日清晨材料受热后即释放饮用水；MIL-101具有巨型空腔结构，已应用于催化降解污染水体中的原油与抗生素，同时具备储氢与二氧化碳封存功能；UiO-67可吸附水体中的全氟烷基物质，在水体净化与污染物去除领域展现应用前景；ZIF-8正通过实验研究用于从废水中回收稀土元素；CALF-20具有非凡的二氧化碳吸附能力，目前正在加拿大某工厂进行测试；NU-1501经优化可实现常压条件下的氢气储释。氢能虽可作为车辆燃料，但常规高压储氢罐存在爆炸风险。©Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院一些研究人员确信金属有机框架蕴藏着巨大的应用潜力，有望成为二十一世纪的代表性材料，尽管其未来发展仍需时间验证，但无论如何，北川进、理查德·罗布森与奥马尔·亚吉的开创性工作已为化学家们应对现实挑战提供了全新解决方案。正如阿尔弗雷德·诺贝尔（Alfred Nobel）遗嘱所言：他们的卓越成就为人类带来了巨大福祉。来源：https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/popular-information/本文来自：返朴，翻译：小桃、李志良、汪汪
