新材料在分子世界按需“造房子”

三位科学家因金属有机框架杰出贡献同获诺贝尔化学奖

新材料在分子世界按需“造房子”

聚焦2025年诺贝尔自然科学奖

2025年诺贝尔自然科学奖三大奖“诺贝尔生理学或医学奖”“诺贝尔物理学奖”“诺贝尔化学奖”近日陆续揭晓，成为全球科学界热议的焦点。今天，本版围绕“研发金属有机框架”解读今年的诺贝尔化学奖，同时介绍诺贝尔生理学或医学奖、诺贝尔物理学奖的核心研究成果。

10月8日，瑞典皇家科学院宣布将2025年诺贝尔化学奖授予日本京都大学的北川进（Susumu Kitagawa）、澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森（Richard Robson）和美国加利福尼亚大学伯克利分校的奥马尔·M·亚吉（Omar M. Yaghi），以表彰他们在金属有机框架领域的贡献。该成果为应对气候变化、能源储存等挑战提供了新的思路和可行的方式。三位科学家将平分1100万瑞典克朗（1瑞典克朗约兑换人民币0.75元）奖金。

开启化学材料新时代

三位获奖者的功绩在于创造了具有大空间的分子结构，即金属有机框架。换句话说，这种新型分子结构内部拥有大量空腔，分子可在其中自由进出。科学家利用它，可从沙漠空气中收集水、捕获二氧化碳、储存有毒气体或催化化学反应等。

研究金属有机框架的先行者是理查德·罗布森。1989年，理查德·罗布森以一种新的方式创建了一种化学基团分子，即金属有机框架的1.0版。启发这个创举的“功臣”是他的一次备课。

1974年，在墨尔本大学教化学课的理查德·罗布森为课堂制作分子模型，传统做法是以木球代表原子，木棒代表化学键。他突然萌发了一个念头：是否可以像拼积木一样，让原子或分子依照其化学特性自行连接，构建出新的“分子建筑”，也就是新的化学分子或物质？十多年后，理查德·罗布森进行了实质性的试验，他将带正电的铜离子与四臂分子结合，形成一个化学基团，每只臂分子的末端由铜离子所吸附，当它们结合在一起时，出现了一个有序、宽敞的晶体，就像一颗充满无数空腔的钻石。

1989年，理查德·罗布森在《美国化学会志》上发表了这项成果，他预言，这类有三维结构的分子材料未来大有用武之地。此后，理查德·罗布森先后合成了多种含有空腔的化学基团（即分子晶体），同时证明这些结构内部的离子可以互换，能让不同的物质进出，因而也能按照人们的需求设计不同的分子晶体，相当于在分子世界按需“造房子”。当时，他认为这种材料最有可能的用途是催化剂，用以催化多种化学反应。

尽管这种分子结构从理论和应用上看有很大的潜在价值，但是，它不稳定并且很容易崩溃。直到1992年至2003年，北川进和奥马尔·M·亚吉为这种化学基团的稳固和实际应用进一步夯实了基础，并取得一系列突破性的进展。

金属有机框架实现灵活稳定

20世纪90年代，在日本近畿大学工作的北川进接触到理查德·罗布森研究的这种化学材料。当时，相关领域的研究人员大多认为，这种新材料不稳定，没有明确用途。由于深受中国古代哲学家庄子“无用之用，方为大用”观点的影响，北川进认为，要看到无用之物的用处，因此他决心专注于研究这种不稳定的化学材料。

1997年，北川进团队的研究取得突破。他们用钴、镍、锌离子与4,4'-联吡啶分子搭建出三维金属有机框架结构，在分子与分子之间形成交错的立体孔洞。即便把材料中的水去除后，这些孔洞仍然稳定存在，而且可以吸附和释放甲烷、氧气、氮气等气体而不变形。

这项研究重复证明了理查德·罗布森的研究结果，并有进展。不过，有人质疑：现实中已经有沸石，为何还要研发金属有机框架结构？沸石是一种具有多孔蜂窝状结构的天然或合成硅铝酸盐矿物，因其独特的结构和负电荷而具有强吸附性、离子交换性、催化性和分子筛等特性。对此，北川进回应：金属有机框架结构可由多种金属和有机分子构建，也可根据需求定制，且材料柔韧，功能更多。相比前人的研究成果，北川进做出的最大贡献是证明了气体可以流入和流出金属有机框架，并预测金属有机框架会变得更灵活。

那么，奥马尔·M·亚吉又发现了什么呢？从约旦移民到美国的他创建了一种非常稳定的金属有机框架，并证明它可以使用合理的设计进行修改，从而赋予其新的和理想的特性。

在理查德·罗布森和北川进的研究基础上，奥马尔·M·亚吉于1995年发表了论文《含大矩形孔道的金属有机框架的水热合成》，在其中正式提出“金属有机框架（MOF）”这一名称，并定义这是一种由金属节点和有机配体组成、具有规则空腔的晶体结构。他的团队通过水热反应构筑出具有规则且稳定孔道结构的金属有机框架晶体，展示了这种新型材料的可设计性和永久孔隙性。

1999年，奥马尔·M·亚吉研发出一种称为MOF-5的金属有机框架，具有更好的特性，不仅结构极其稳定，空间巨大，还耐高温，即使在300℃的环境下也不会散架。最令人震惊的是MOF-5的内部表面积：仅几克MOF-5的内部总面积就相当于一个足球场（国际足联规定，标准11人制足球场总面积为7140平方米），远超天然或传统沸石，这意味着MOF-5能吸附更多气体和其他物质。此后，奥马尔·M·亚吉团队研发出不同的金属有机框架，可用以存储甲烷、捕获二氧化碳。

“21世纪的决定性材料”走进实际应用

总体来看，理查德·罗布森创造了金属有机框架，北川进和奥马尔·M·亚吉分别完善和合理设计了金属有机框架并给出了金属有机框架可能在生产和生活中应用的领域、范围和模式。正如诺贝尔化学委员会主席海纳·林克所说：“金属有机框架具有巨大的潜力，为具有新功能的定制材料带来了前所未有的机会。”

现在，金属有机框架已成为一种用途广泛的新型材料。金属有机框架由金属离子（或簇）和有机配体通过配位键连接而成，这种结构会形成高度有序、三维的晶格网络，其中包含巨大、可调的孔隙。它不仅具有金属的活性，获得了有机配体的柔性、化学官能团的选择性和其他物理化学性能，还有配位形成的特殊空间结构。这几个特别的要素完美结合起来，使得金属有机框架被预测为“21世纪的决定性材料”。

作为一种用途极其广泛的超多孔纳米材料，化学家现已设计出88000多个不同的金属有机框架，用以从水中分离全氟/多氟烷基物质（PFAS）、分解环境中的微量药物、捕获二氧化碳，以及从沙漠空气中收集水。现有研究表明，金属有机框架可用于气体储存与分离，如储存氢气和捕获二氧化碳；可作为多相催化剂，促进化学反应的进行；可用作传感器，检测特定气体或化学分子；可用于传输药物，将药物封装在金属有机框架的孔隙中按需释放。

目前，最能体现金属有机框架应用价值的是药物传递。药物分子常通过氢键、π-π堆积、配位作用、静电作用等吸附于金属有机框架的孔隙或表面，让其成为药物缓控释放的递送载体。比如，低细胞毒性的卟啉金属有机框架PCN-221对甲氨蝶呤（治疗癌症和自身免疫疾病的药物）具有高载药量，甲氨蝶呤扩散进入PCN-221的孔隙与通道，通过其与PCN-221的π-π作用及氢键作用，在生理环境下实现缓释，以保持药物有效浓度。

在全球气候变化的环境下，金属有机框架另一个比较有前景的应用是对烟道气进行碳捕获，以有效减少碳排放。2022年，加拿大研究人员研制了一种被称为CALF-20的金属有机框架，能对烟道气进行有效碳捕获。在1.2个大气压和室温条件下，CALF-20能吸附自身重量18%左右的CO2，并在多种混合气体中保持极佳的CO2选择吸附能力。

金属有机框架还能通过吸收空气中的水蒸气，待温度升高时释放出水，实现在沙漠中收集水。现在，该技术已在实验室测试和沙漠环境的实地试验中得到验证，初步结果表明，金属有机框架每千克每天可收集和提供超过一升的水，水质非常干净，而且该装置不依赖电力，是利用温度变化来收集水，是一种清洁能源驱动的方案。科学家相信，未来这是解决沙漠和干旱地区生活和生产用水的有效方式之一。

2025年诺贝尔化学奖授予金属有机框架的发现和应用，表明这种材料和产品的应用具有广阔前景，能极大造福公众和社会。尽管一切仍需时间验证，但毋庸置疑的是，三位科学家理查德·罗布森、北川进和奥马尔·M·亚吉的开创性工作，为化学家应对现实挑战提供了一种可行的全新解决方案。