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2025年10月8日，瑞典皇家科學(xué)院將諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）和奧馬爾·M·亞吉（Omar M. Yaghi），以表彰他們?cè)凇伴_發(fā)金屬-有機(jī)框架方面”的奠基性工作。

三位獲獎(jiǎng)?wù)呔喸炝艘环N令人驚嘆的“分子建筑”，即金屬-有機(jī)框架（metal-organic frameworks，簡稱MOFs）結(jié)構(gòu)——具有巨大的空腔，允許氣體或其他化學(xué)物質(zhì)分子出入其間。MOFs結(jié)構(gòu)已被用于從沙漠空氣中收集水、從水里提取污染物、捕獲二氧化碳以及儲(chǔ)存氫氣等。

金屬-有機(jī)框架提供了一種搭積木式的材料設(shè)計(jì)范式，使研究者能通過選擇不同金屬和有機(jī)配體，自主“定制”具有特定功能、面向?qū)ｉT任務(wù)的材料。MOFs材料主打“極高孔隙度”和“化學(xué)結(jié)構(gòu)可調(diào)控”的特色，可在諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用，例如用作智能藥物載體、骨再生支架或綠色催化劑。

怎樣利用有限的空間合理收納盡可能多的東西？這是我們每個(gè)人每天都要面對(duì)的問題。今年的三位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主就設(shè)計(jì)、開發(fā)、完善了一套巨能裝的結(jié)構(gòu)——有機(jī)金屬框架MOFs，可以容納無數(shù)分子，比如水、氫氣、二氧化碳，等等。

你平時(shí)是怎么做收納的？相信不少觀眾和我一樣，會(huì)整點(diǎn)衣架、掛鉤、鞋柜啥的，把各種物件分門別類地歸置好。從科學(xué)的角度看，這么做就像是在確定的總空間內(nèi)增加了可以“吸附”物件的置物面積，提高了比表面積。

有很多材料，別看它小小一塊，卻因?yàn)楸缺砻娣e大，巨能裝。大家最熟悉的大概就是活性炭了，除個(gè)冰箱異味、腳氣或是凈水啥的，效果還是不錯(cuò)的。為啥？因?yàn)榛钚蕴坑泻芏嗫?，所以比表面積很大，能吸附很多分子。但活性炭的孔徑大小不一，大大小小的分子一股腦全吸附了，選擇性差，所以在高精尖領(lǐng)域應(yīng)用有限。

有沒有可以調(diào)節(jié)孔徑大小從而做到想裝什么分子就裝什么分子的材料？有的，這就是我們今天的主角MOFs。

化學(xué)課上經(jīng)常用到一種展示分子結(jié)構(gòu)的球棍模型，就是用代表化學(xué)鍵的小木棍把代表各種原子的各色小球連起來。今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主之一理查德·羅布森在用這套模型給學(xué)生上課的時(shí)候就想到，如果不是原子連原子，而是用分子連原子，會(huì)怎么樣？

于是，1980年代，他就參考鉆石晶胞的正四面體結(jié)構(gòu)，嘗試用一種帶四條臂的有機(jī)分子連接4個(gè)銅離子。當(dāng)時(shí)的大部分化學(xué)家覺得這么做不會(huì)有什么結(jié)果，只會(huì)散落一地離子和分子。然而，羅布森成功了，這種有機(jī)分子和銅離子自發(fā)形成了一個(gè)巨大的分子結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了像鉆石一樣的晶體，但不同的是，這種晶體內(nèi)部有很多、很大的孔。

羅布森當(dāng)時(shí)就敏銳地察覺這種結(jié)構(gòu)大有可為，并在1989年發(fā)表了這個(gè)成果。這便是最早的MOF，只不過當(dāng)時(shí)還沒有這個(gè)名字。

后來，羅布森又開發(fā)了幾種類似的分子，成功是成功了，但很脆弱，容易散架。就像是咱們用樂高積木搭出的車子啥的，樣子沒問題，功能完全無法實(shí)現(xiàn)，甚至碰壞了還要賠。

時(shí)間來到1990年代，又一位拿到諾獎(jiǎng)的日本科學(xué)家北川進(jìn)利用鈷、鎳、鋅等金屬離子和一種有機(jī)分子創(chuàng)造出了具有開放通道的三維金屬有機(jī)框架。這種結(jié)構(gòu)就相當(dāng)穩(wěn)定了，而且確實(shí)有功能：可以吸收、釋放甲烷、氮?dú)?、氧氣。但仍舊沒有引起業(yè)界的多大興趣。為什么？因?yàn)樵谖辗肿拥亩嗫撞牧线@條賽道上早就有了一位老大哥——沸石。

早在1756年，瑞典礦物學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了一種灼燒時(shí)會(huì)沸騰的石頭，因而命名為沸石。之后，科學(xué)家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了各種天然沸石并且發(fā)現(xiàn)了這種礦物具有很好的吸附作用。到了20世紀(jì)中葉，科學(xué)家又實(shí)現(xiàn)了人工合成沸石用作干燥劑、凈化劑以及石油煉化的催化劑等，開發(fā)了各種功能，完成了沸石從礦物到多功能強(qiáng)大材料的轉(zhuǎn)變。

北川進(jìn)此時(shí)拿出的MOF功能與沸石高度重合，性能還大大不如，當(dāng)然沒啥人看得上了。意識(shí)到這點(diǎn)后，北川進(jìn)又開發(fā)出了柔性MOF，相比剛性沸石，有了產(chǎn)品獨(dú)特性。這種柔性MOF充滿水、甲烷等分子時(shí)形狀會(huì)改變，排空后又會(huì)復(fù)原，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)又提供了可塑性。

北川進(jìn)忙著開發(fā)MOF的時(shí)候，約旦裔美籍科學(xué)家奧馬爾·M·亞吉也在1995年開發(fā)出了加熱到350℃也不會(huì)坍塌的穩(wěn)定金屬有機(jī)結(jié)構(gòu)，并且首次響亮地喊出了“金屬有機(jī)框架”（MOF）這個(gè)名字。

1999年，亞吉又設(shè)計(jì)出了具有里程碑意義的MOF-5，這種分子結(jié)構(gòu)不但非常穩(wěn)定，而且比表面積極大，幾克MOF-5的表面積就相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)，比沸石還能裝！

還沒完，亞吉又在21世紀(jì)初制造了16種MOF-5的變體，通過修飾MOF-5，就能改變材料的孔徑大小，從而改變MOF-5可以存儲(chǔ)的目標(biāo)分子。這樣一來，MOF材料便具備了高度的選擇性，只需要一點(diǎn)微調(diào)就能根據(jù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)定制操作。

打個(gè)不一定最恰當(dāng)?shù)谋确?，MOF材料就相當(dāng)于一類具有很強(qiáng)定制功能的收納平臺(tái)，掛個(gè)鉤子就能掛包包，開個(gè)柜子就能放鞋子，立根柱子就能掛衣帽。到了這里，MOF這個(gè)原本一碰就倒的樂高積木，不但解決了穩(wěn)定性問題，更是一躍成為能夠滿足各種需求的高性能材料。

例如，在沙漠中集水，為環(huán)保事業(yè)捕獲工廠釋放的二氧化碳、有毒氣體，為人類能源存儲(chǔ)甲烷、氫氣等燃料。

雖然老大哥沸石仍舊在穩(wěn)定性、規(guī)?；瘧?yīng)用、成本等方面有優(yōu)勢(shì)，但面對(duì)MOF這個(gè)后起之秀，不免要贊嘆一句：未來是你的。

可以說，MOF材料的天賦和潛力瞎眼可見，在許多科學(xué)家心中很早就預(yù)定了一座諾貝爾獎(jiǎng)。比如我們?nèi)ツ瓴稍L的2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主弗雷澤·斯托達(dá)特（Fraser Stoddart）在回答我們關(guān)于什么成就值得拿諾獎(jiǎng)的提問時(shí)首推MOF。

回顧今年的三大諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)，生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給調(diào)節(jié)T細(xì)胞是個(gè)大冷門，物理學(xué)獎(jiǎng)在量子力學(xué)百年之際頒給電路中的宏觀量子隧穿效應(yīng)，總體算是意料之中，化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給MOFs可以說是眾望所歸了。另一方面，咱們前天剛說完日本在最近五六年拿諾獎(jiǎng)勢(shì)頭放緩，今年就梅開二度，多少也是有點(diǎn)羨慕嫉妒。不過吶，咱們也不用著急，畢竟諾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)有滯后性，就像今年的三大工作都始于20世紀(jì)八九十年代。依咱們現(xiàn)在對(duì)科學(xué)技術(shù)的重視與投入，還怕日后無法實(shí)現(xiàn)MOF對(duì)沸石這樣的超車嗎？

附：《世界科學(xué)》王小科帶你趣味了解2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

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