新智元報道

編輯：艾倫 好困

【新智元導讀】剛剛，2025年諾貝爾化學獎公布?？茖W家北川進（Susumu Kitagawa）、Richard Robson和Omar M. Yaghi三人獲獎，以表彰他們「在金屬有機框架（MOF）材料發(fā)展方面的貢獻」。

剛剛，2025年諾貝爾化學獎揭曉！

今年的諾貝爾化學獎，也與AI無關。

科學家北川進（Susumu Kitagawa）、Richard Robson和Omar M. Yaghi三人獲獎。

他們的獲獎理由是：「在金屬有機框架（MOF）材料發(fā)展方面的貢獻」。

簡單來說，獲獎者們構(gòu)建了一種被稱為金屬有機框架分子構(gòu)筑物，其內(nèi)部擁有巨大的空腔，可供氣體和其他化學物質(zhì)進出流通。

基于這些開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，化學家們已經(jīng)構(gòu)建了數(shù)以萬計不同種類的金屬有機框架（MOF）。

其中一些有望為解決人類面臨的部分最嚴峻挑戰(zhàn)做出貢獻：

• 從水中分離全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）

• 分解環(huán)境中的藥物殘留

• 捕獲二氧化碳

• 從沙漠空氣中采集水分

對此，諾貝爾化學委員會主席Heiner Linke表示：「金屬有機框架潛力巨大，為開發(fā)具有新功能的定制化材料帶來了前所未有的機遇?！?/p>

今年獎金總額達1100萬瑞典克朗（約835萬元人民幣），由三位獲獎者平分。

獲獎原因

Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi創(chuàng)造了一種被稱為金屬有機框架的機構(gòu)，它含有巨大的空腔，分子可以在其中進出。

目前，研究人員已利用它們從沙漠空氣中收集水分、從水中提取污染物、捕獲二氧化碳以及儲存氫氣。

「一間迷人且極其寬敞的單間公寓，專為身為水分子的你而設計」——這或許是房產(chǎn)中介會用來描述近幾十年來全球各實驗室開發(fā)的眾多金屬有機框架之一的方式。

此類結(jié)構(gòu)中的其他類型則是為捕獲二氧化碳、從水中分離 PFAS、在體內(nèi)遞送藥物或處理劇毒氣體而量身定制的。

有些可以捕獲水果釋放的乙烯氣體并使其成熟得更慢，或者包裹能分解環(huán)境中抗生素痕跡的酶。

簡而言之，金屬有機框架（MOF）的用途極其廣泛。

得益于獲獎者們的工作，化學家們已經(jīng)能夠設計出數(shù)以萬計的不同 MOF，催生了新的化學奇跡。

正如科學領域中常見的那樣，2025 年諾貝爾化學獎的故事始于一個跳出思維定式的人。

這一次，靈感是在準備一堂經(jīng)典化學課時產(chǎn)生的，課上學生們將要用棍和球來搭建分子。

始于一個簡單的木制分子模型

那是1974年。在澳大利亞墨爾本大學任教的Richard Robson接到的任務是將木球制作成原子模型，以便學生們能夠創(chuàng)建分子結(jié)構(gòu)。

為此，他需要大學的工作坊在木球上鉆孔，這樣代表化學鍵的木棍才能連接到原子上。

然而，孔洞的位置不能隨意安排。諸如碳、氮或氯等原子，都會以特定的方式形成化學鍵，因此Robson需要標記出應該在哪里鉆孔。

當工作坊送回木球后，他嘗試搭建了一些分子。就在這時，他靈光一閃：孔洞的位置中蘊含著海量的信息。

由于孔洞的位置，模型分子自動具有了正確的形狀和結(jié)構(gòu)。這

一洞見引出了他的下一個想法：如果他利用原子的固有屬性來連接不同類型的分子，而不是單個原子，會發(fā)生什么？他能否設計出新型的分子結(jié)構(gòu)？

每年，當Robson拿出木制模型教新學生時，同樣的想法都會在他腦中浮現(xiàn)。然而，十多年過去了，他才決定付諸實踐。

他從一個非常簡單的模型開始，靈感來自鉆石的結(jié)構(gòu)，其中每個碳原子與其他四個碳原子鍵合，形成一個微小的金字塔（如下圖所示）。

Robson的目標是構(gòu)建一個類似的結(jié)構(gòu)，但他的結(jié)構(gòu)將基于帶正電的銅離子 Cu+。像碳一樣，它們也傾向于周圍有四個其他原子。

他將銅離子與一個有四條「臂」的分子結(jié)合：4′,4″,4″’,4″″-四氰基四苯甲烷。

不必記住它復雜的名字，但重要的是，分子每條臂的末端都有一個化學基團——腈，它會被帶正電的銅離子所吸引。

在當時，大多數(shù)化學家都會認為，將銅離子與四臂分子結(jié)合會得到一堆如鳥巢般雜亂的離子和分子混合物。

Robson預測，離子和分子之間固有的吸引力起了作用，它們自行組織成一個巨大的分子結(jié)構(gòu)。

就像鉆石中的碳原子一樣，它們形成了一個規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。但與致密的鉆石不同，這種晶體含有大量巨大的空腔。

1989年，Robson在《美國化學會志》上展示了他創(chuàng)新的化學作品。

在文章中，他對未來進行了推測，并提出這可能提供一種構(gòu)建材料的新方法。

他寫道，這些材料可能會被賦予前所未見的特性，并可能是有益的。

事實證明，他預見了未來。

Robson

在化學界掀起一股開拓熱潮

就在他開創(chuàng)性工作發(fā)表的第二年，Robson就展示了幾種新型的分子結(jié)構(gòu)，其空腔中填充了各種物質(zhì)。

他將充滿離子的結(jié)構(gòu)浸入含有不同類型離子的液體中。結(jié)果是離子交換了位置，證明了物質(zhì)可以進出該結(jié)構(gòu)。

在他的實驗中，Robson表明，理性設計可以用于構(gòu)建具有寬敞內(nèi)部空間的晶體，這些空間為特定化學物質(zhì)進行了優(yōu)化。

他提出，如果設計得當，這種新形式的分子結(jié)構(gòu)可以用于催化化學反應等。

然而，Robson的結(jié)構(gòu)相當不穩(wěn)定，且容易散架。

許多化學家認為它們毫無用處，但有些人能看到他有所發(fā)現(xiàn)，對他們而言，他對未來的想法喚醒了一種開拓精神。

后來為他的愿景奠定堅實基礎的是Susumu Kitagawa和Omar M. Yaghi。

在1992年至2003年間，他們各自獨立地做出了一系列突破性的發(fā)現(xiàn)。

我們將從20世紀90年代開始，從當時在日本近畿大學工作的Susumu Kitagawa說起。

Susumu Kitagawa

座右銘是「無用之用」

在其整個研究生涯中，Susumu Kitagawa都遵循著一個重要原則：努力發(fā)現(xiàn)「無用之用」。

當他還是個年輕學生時，他讀了諾貝爾獎得主Yukawa Hideki（湯川秀樹）的一本書。

書中，Yukawa引用了中國古代哲學家莊子的話，莊子說我們必須質(zhì)疑我們認為有用的東西。即使某物不能帶來直接的好處，它仍可能被證明是有價值的。

因此，當Susumu Kitagawa開始研究創(chuàng)造多孔分子結(jié)構(gòu)的可能性時，他并不認為它們必須有特定的目的。

當他在1992年展示他的第一個分子結(jié)構(gòu)時，它確實不是特別有用：一個二維材料，其空腔中可以藏匿丙酮分子。

但它是源于一種關于分子構(gòu)建藝術的新思維方式。像Robson一樣，他使用銅離子作為基石，通過更大的分子連接在一起。

Susumu Kitagawa想繼續(xù)用這種新的構(gòu)建技術進行實驗，但當他申請資助時，研究資助者們認為他的抱負沒有什么特別的意義。他創(chuàng)造的材料不穩(wěn)定且沒有用途，所以他的許多提案都被拒絕了。

然而，他沒有放棄，并在1997年取得了他的第一個重大突破。

利用鈷、鎳或鋅離子和一種名為4,4′-聯(lián)吡啶的分子，他的研究小組創(chuàng)造出了布滿開放通道的三維金屬有機框架（如下圖所示）。

當他們將其中一種材料干燥——排空其中的水——它保持穩(wěn)定，并且空間甚至可以填充氣體。該材料可以在不改變形狀的情況下吸收和釋放甲烷、氮氣和氧氣。

Susumu Kitagawa的結(jié)構(gòu)既穩(wěn)定又有功能，但研究資助者們?nèi)匀粺o法看到它們的魅力。

一個原因是化學家們已經(jīng)有了沸石，這是一種由二氧化硅構(gòu)成的穩(wěn)定多孔材料。它們可以吸收氣體，那么為什么有人要開發(fā)一種效果不那么好的類似材料呢？

Susumu Kitagawa明白，如果他想獲得任何重大資助，他必須闡明金屬有機框架的獨特之處。

于是，在1998年，他在《日本化學會志》上提出了MOF的幾個優(yōu)點。例如，它們可以由多種類型的分子創(chuàng)造，因此整合不同功能的潛力巨大。

此外，他還發(fā)現(xiàn)，MOF可以形成柔性材料。與通常是硬質(zhì)材料的沸石不同，MOF含有柔性的分子構(gòu)建塊，可以創(chuàng)造出一種柔韌的材料（如下圖所示）。

此后，他所要做的就是將他的想法付諸實踐。Susumu Kitagawa與其他研究人員一起，開始開發(fā)柔性MOF。

在他們致力于此項工作的同時，我們將目光轉(zhuǎn)向美國，在那里，Omar M. Yaghi也正忙于將分子構(gòu)筑學推向新的高度。

Yaghi

偷偷溜進圖書館后，他愛上了化學

學習化學對Omar M. Yaghi來說并非一個顯而易見的選擇。

他和他的許多兄弟姐妹在約旦安曼的一個沒有電和自來水的單間里長大。學校是他充滿挑戰(zhàn)的生活中的避難所。

10歲時，他有一天偷偷溜進了通常上鎖的學校圖書館，并從書架上隨機選了一本書。

打開書后，他的目光被一些看不懂但引人入勝的圖片所吸引——這是他第一次接觸分子結(jié)構(gòu)。

15歲時，他在父親的嚴令下，移居美國求學。這次，他再次被化學所吸引，并最終迷上了設計新材料的藝術。

然而，在研究過程中，他發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的構(gòu)建新分子的方法太不可預測。

通常，化學家將要相互反應的物質(zhì)在一個容器中混合。然后，為了開始化學反應，他們加熱容器。期望的分子形成了，但通常也伴隨著一系列副產(chǎn)物雜質(zhì)。

1992年，當Yaghi在亞利桑那州立大學開始他作為研究組長的第一個職位時，他想找到更可控的方法來創(chuàng)造材料。

他的目標是使用理性設計，像搭樂高積木一樣連接不同的化學成分，來制造大型晶體。這被證明是具有挑戰(zhàn)性的，但當研究小組開始將金屬離子與有機分子結(jié)合時，他們最終成功了。

1995年，Yaghi發(fā)表了兩種不同的二維材料的結(jié)構(gòu)；它們像網(wǎng)一樣，由銅或鈷連接在一起。后者可以在其空間中容納客體分子，當這些空間被完全占據(jù)時，它非常穩(wěn)定，可以被加熱到350°C而不會坍塌。

Yaghi在《自然》雜志的一篇文章中描述了這種材料，并首次提出了「金屬有機框架」這個術語；該術語現(xiàn)在用來描述由金屬和有機（碳基）分子構(gòu)建的、可能含有空腔的、延展有序的分子結(jié)構(gòu)。

1999年，Yaghi在金屬有機框架的發(fā)展中樹立了下一個里程碑，他向世界展示了MOF-5。這種材料已成為該領域的經(jīng)典之作。它是一種異常寬敞且穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)。即使在空置狀態(tài)下，它也可以被加熱到300°C而不會坍塌。

然而，真正讓許多研究人員為之驚嘆的是隱藏在該材料立方空間內(nèi)的巨大內(nèi)表面積。幾克MOF-5就擁有一個足球場那么大的面積，這意味著它比沸石能吸收多得多的氣體（如下圖所示）。

談到沸石和MOF之間的差異，研究人員只花了幾年時間就成功開發(fā)出了柔性MOF。其中一位能夠展示柔性材料的正是Susumu Kitagawa本人。

當他的材料充滿水或甲烷時，它會改變形狀，當它被排空時，又會恢復到原來的形態(tài)。這種材料的行為有點像一個可以吸入和呼出氣體的肺，既可變又穩(wěn)定。

Omar M. Yaghi在2002年和2003年為金屬有機框架的基礎拼上了最后的拼圖。

在《科學》和《自然》的兩篇文章中，他展示了以理性的方式修改和改變MOF，賦予它們不同屬性是可能的。他所做的一件事是制造了16種MOF-5的變體，其空腔比原始材料的更大或更小（如下圖所示）。

其中一個變體可以儲存大量甲烷氣體，Yaghi建議這可以用于可再生天然氣燃料汽車。

隨后，金屬有機框架席卷了全世界。

研究人員開發(fā)出的分子工具箱，其中包含各種各樣不同的部件，可用于創(chuàng)造新的MOF。

這些MOF具有不同的形狀和特性，為針對不同目的進行理性設計——或基于AI的設計——提供了難以置信的潛力。

例如，Yaghi的研究小組已經(jīng)從亞利桑那州的沙漠空氣中收集了水分（如下圖所示）。在夜間，他們的MOF材料從空氣中捕獲水蒸氣。當黎明來臨，太陽加熱材料時，他們就能夠收集到水。

如今，研究人員已經(jīng)創(chuàng)造了許多不同且功能強大的MOF。

·MIL-101擁有巨大的空腔。它已被用于催化分解污染水中的原油和抗生素，以及用來儲存大量的氫氣或二氧化碳。

·UiO-67可以從水中吸收PFAS，這使其成為一種很有前途的水處理和污染物去除材料。

·ZIF-8已被實驗性地用于從廢水中開采稀土元素。

·CALF-20具有卓越的二氧化碳吸收能力。它正在加拿大的一家工廠進行測試。

·NU-1501經(jīng)過優(yōu)化，可在常壓下儲存和釋放氫氣。氫氣可用于為車輛提供燃料，但在普通高壓罐中，這種氣體極易爆炸。

一些研究人員認為，金屬有機框架具有如此巨大的潛力，它們將成為二十一世紀的材料。

時間會證明一切，但通過開發(fā)金屬有機框架，Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi為化學家們解決我們面臨的一些挑戰(zhàn)提供了新的機遇。

因此，他們——正如諾貝爾的遺囑所言——為全人類帶來了最大的福祉。

獲獎者簡介

Susumu Kitagawa

北川進（Susumu Kitagawa），1951年出生于日本京都，是日本著名化學家，現(xiàn)任京都大學高等研究院（KUIAS）杰出教授兼執(zhí)行副校長，主要專注于配位化學與材料化學領域。

他在1997年首次通過氣體吸附實驗證明配位聚合物具有「多孔性」，從而開創(chuàng)了多孔配位聚合物（PCP）/金屬有機框架（MOF）材料的研究道路。

他還率先提出「軟多孔晶體」（soft porous crystals）的概念，指出這些材料能夠在化學或物理刺激下發(fā)生可逆結(jié)構(gòu)變化，從而具備比傳統(tǒng)多孔材料更豐富的功能性。

北川進發(fā)表論文逾六百篇、被引用數(shù)萬次，并在學術界獲得眾多榮譽，包括日本學士院獎、紫綬褒章、De Gennes獎、Royal Society院士等。

Richard Robson

Richard Robson，1937年6月4日出生于英國戈爾斯本，是墨爾本大學的無機化學教授，因其在配位聚合物領域的開創(chuàng)性研究而被譽為晶體工程與金屬-有機框架（MOF）化學的先驅(qū)。

他在1970年代至1980年代逐步提出并驗證利用金屬離子與有機連接體構(gòu)建三維長程配位網(wǎng)絡的思想，這為后續(xù)大規(guī)模合成具備孔隙結(jié)構(gòu)的配位聚合物奠定了基礎。

Omar M. Yaghi

Omar M. Yaghi，1965年出生于約旦安曼，是當代極具影響力的化學家，現(xiàn)為美國加州大學伯克利分校James & Neeltje Tretter化學講席教授。

他創(chuàng)立并推動了「網(wǎng)格化學」（Reticular Chemistry）這一新興學科，致力于將有機連接體與金屬簇通過強鍵組裝成具有高度永久孔隙性的晶體網(wǎng)絡（如MOF、COF、ZIF等），其材料在氣體存儲、碳捕捉、水空氣中采水與催化等可持續(xù)發(fā)展領域具有突破性應用價值。

讓我們再次向三位偉大的化學家致敬！

參考資料：

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/press-release/

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/popular-information/