設(shè)置星標(biāo)★關(guān)注，從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

人類文明常以材料命名時(shí)代。比如教科書里描繪的遙遠(yuǎn)的石器時(shí)代和青銅時(shí)代，又如當(dāng)前以計(jì)算機(jī)和手機(jī)為標(biāo)志的硅時(shí)代。未來時(shí)代將由何種材料定義？

2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主奧馬爾·亞吉(Omar Yaghi)認(rèn)為，金屬有機(jī)框架材料——或稱MOFs——有望開創(chuàng)下一個(gè)材料時(shí)代。亞吉等人在1990年代領(lǐng)銜MOFs的研發(fā)工作，貢獻(xiàn)了革命性的合成方法，并因此榮獲諾獎(jiǎng)。（參見）

MOFs還有個(gè)好兄弟COFs，即共價(jià)有機(jī)框架。二者均屬晶體材料，而它們最獨(dú)特之處在于：作為晶體，竟有著驚人的孔隙率。

1999年，亞吉團(tuán)隊(duì)合成的鋅基材料MOF-5引起轟動(dòng)。這種布滿孔隙的材料只需達(dá)到區(qū)區(qū)幾克，其內(nèi)表面積就堪比足球場(chǎng)。

過去幾十年間，亞吉一直引領(lǐng)著新型MOFs和COFs材料的研究前沿。這一化學(xué)新分支被學(xué)界稱為“網(wǎng)格/網(wǎng)狀化學(xué)”(reticular chemistry)，不斷拓展材料的應(yīng)用邊界。

MOFs和COFs豐富的內(nèi)部孔隙可吸附其他分子，從而實(shí)現(xiàn)神奇功用，比如從沙漠空氣里收集水、從水里提取污染物、捕獲二氧化碳以及儲(chǔ)存氫氣等。

近期，亞吉教授接受《新科學(xué)家》（

New scientist

Q：您為何會(huì)對(duì)金屬有機(jī)框架材料產(chǎn)生興趣，會(huì)選擇進(jìn)入網(wǎng)格化學(xué)領(lǐng)域？

A：

我們剛開始研究MOFs時(shí)，并未設(shè)想能用它解決某個(gè)大問題、取得某種大突破，只將其視為一項(xiàng)純粹的智力挑戰(zhàn)：能否做到像搭積木、砌磚房那般逐個(gè)分子地構(gòu)筑材料？這確實(shí)是化學(xué)領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的課題之一。當(dāng)時(shí)許多人堅(jiān)信這條路行不通，認(rèn)為投入研究只是徒勞。

Q：為什么最初大家認(rèn)為MOFs材料是不可設(shè)計(jì)的？

A：

通常情況下，當(dāng)你把制備材料所需的化學(xué)單元混到一起后，它們的連接組合方式無法如你所想，而是混亂無序、難以表征的。這當(dāng)然符合物理定律所告訴我們的：大自然總是趨于熵增和無序。

而我們的目標(biāo)是晶體，是具有重復(fù)周期性結(jié)構(gòu)的有序物質(zhì)。打個(gè)比方，大自然結(jié)晶鉆石的過程長(zhǎng)達(dá)十億年，我們卻試圖一天之內(nèi)就完成它。不過我始終相信，只要掌握對(duì)的方法，任何物質(zhì)都可結(jié)晶。

金屬有機(jī)框架材料由碳基有機(jī)連接體和金屬原子構(gòu)成；它們相互連接，形成具有龐大內(nèi)部空腔網(wǎng)絡(luò)的晶體結(jié)構(gòu)。通過改變連接體與金屬的種類，可以調(diào)整空腔的特性，使其適用于儲(chǔ)存包括二氧化碳和水蒸氣在內(nèi)的多種不同氣體。

Q：您的直覺后來被證明是正確的。1999年，您與團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志撰文報(bào)告了MOF-5的合成工作，及其展現(xiàn)的前所未見的穩(wěn)定性。彼時(shí)您是否預(yù)料到這類材料最終帶來實(shí)用價(jià)值？

A：

那時(shí)候我們發(fā)現(xiàn)了一種可用于合成穩(wěn)定MOFs的溶劑，并逐步理解了其作用機(jī)理。我們意識(shí)到，在合成MOFs的過程中，這種溶劑分子進(jìn)入反應(yīng)體系后，對(duì)調(diào)控?zé)o序傾向具有關(guān)鍵作用。后來，世界各地的研究人員采用了類似方法。

起初，我只是為制備出美麗晶體而興奮；隨著觀察到其卓越特性，大家開始思考：“能用它用來做些什么？”

首先，MOFs晶體具有極高孔隙率，由此“氣體吸附”必有前途。這些材料內(nèi)有空間微腔，恰好能容納H?O、CO?之類的分子。(如前文所述，內(nèi)部空腔雖是微納級(jí)別的，但其提供的內(nèi)表面積相較材料本身規(guī)格可謂巨大。)

Q：能否談?wù)勅缃衲苽溥@類材料的思路？

A：

我的烹飪理念是只用健康食材、以最少步驟做出美味佳肴。其實(shí)做化學(xué)與做菜有相通之處：我力求簡(jiǎn)化材料制備流程，只用到真正必需的化學(xué)原料。

首先，選定材料的骨架。其次，確定材料孔隙的尺寸。此外，不妨在骨架結(jié)構(gòu)上進(jìn)行化學(xué)修飾，添加特定分子。這么做的目的關(guān)系到最后一步，即讓二氧化碳之類的目標(biāo)物被吸附至材料內(nèi)含的空腔。(化學(xué)修飾有助于吸附。)在我看來，整個(gè)過程簡(jiǎn)潔而又精妙。

Q：關(guān)于MOFs和COFs的研究讓您探索了哪些新技術(shù)？

A：

一旦掌握從分子層面設(shè)計(jì)材料的方法，那就是根本性的變革。從分子走向社會(huì)——這是我個(gè)人的理想，也是我在2020年創(chuàng)立的Atoco公司的愿景。

我們想瞄準(zhǔn)那些目前缺乏適用材料或所有材料效能不佳的領(lǐng)域，以所謂的“理性設(shè)計(jì)”方式從分子層面構(gòu)建更優(yōu)質(zhì)的材料。材料制備技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)帶動(dòng)社會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的提升。

2024年，我們公布了迄今最優(yōu)的碳捕獲材料COF-999。COF-999能捕集空氣里的二氧化碳，接受了我們?cè)诩又荽髮W(xué)伯克利分校進(jìn)行的超百次捕集與釋放循環(huán)測(cè)試。Atoco計(jì)劃利用COF-999等網(wǎng)格材料，構(gòu)建適用于從工業(yè)場(chǎng)景到住宅建筑的碳捕獲模塊。

我們還開發(fā)出能每日從大氣捕獲數(shù)千升水的材料。以此為基礎(chǔ)制造的設(shè)備，即使身處美國內(nèi)華達(dá)沙漠這般濕度低于20%的極端環(huán)境，仍能提取水蒸氣。我認(rèn)為大氣集水技術(shù)將在10年內(nèi)發(fā)展為日常科技。

金屬有機(jī)框架材料為晶體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部布滿微孔

Q：現(xiàn)有其他技術(shù)也能捕獲水和二氧化碳，MOFs與COFs對(duì)比它們有何優(yōu)勢(shì)？

A：

我們對(duì)材料的化學(xué)過程有著高度控制，因此相關(guān)設(shè)備能以可持續(xù)方式制造。這些設(shè)備將穩(wěn)定運(yùn)行許多年，其中的MOFs部件達(dá)到使用壽命終點(diǎn)后，可通過水完全分解，確保不會(huì)有MOFs泄漏至環(huán)境。因此，即使未來MOFs材料實(shí)現(xiàn)多噸級(jí)規(guī)模的生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，我們也不會(huì)面臨“MOFs廢棄物難題”。

基于MOFs的設(shè)備還擁有更理想的能效。舉例來說，利用環(huán)境太陽光驅(qū)動(dòng)MOFs集水裝置釋放水分，顯然是相當(dāng)節(jié)能的工作模式，而這種模式的核心技術(shù)已被我們掌握。另外，針對(duì)碳捕獲裝置，可利用工業(yè)流程中的廢熱來釋放捕集到的二氧化碳，這使其相比其他競(jìng)爭(zhēng)方案更具經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。

但不可否認(rèn)，當(dāng)前我們?nèi)悦媾R諸多挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)來自規(guī)?；a(chǎn)的難點(diǎn)，來自怎樣提升材料的化學(xué)穩(wěn)定性，也來自如何精準(zhǔn)控制材料釋放已吸附分子的時(shí)間與方式。

舉個(gè)例子，我們已能實(shí)現(xiàn)噸級(jí)MOFs的生產(chǎn)，但COFs材料尚無法達(dá)到同等規(guī)模。預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)，我們將突破瓶頸。再以集水技術(shù)為例，材料對(duì)水分的吸附強(qiáng)度過大或過小都不好，需要精準(zhǔn)調(diào)控。

我們現(xiàn)在正運(yùn)用AI智能體優(yōu)化MOFs和COFs的設(shè)計(jì)，力求提高開發(fā)效率。

通常來說，創(chuàng)建基礎(chǔ)MOFs或COFs材料并不困難，但要想獲得具備特定優(yōu)化性能的材料，研發(fā)過程可能耗時(shí)一年。若AI智能體加速進(jìn)程，那將帶來革命性變化。我曾面對(duì)面地鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)室里所有人嘗試大語言模型工具。值得一提的是，目前我們開發(fā)部分新型MOFs的效率已翻倍提升。

Q：您認(rèn)為網(wǎng)格化學(xué)有哪些應(yīng)用前景值得期待？

A：

如今網(wǎng)格化學(xué)已是個(gè)宏大領(lǐng)域，化學(xué)家身處其中，探索熱情堪比糖果店里的孩子們。想想，數(shù)以百萬計(jì)的新型MOFs等著我們開發(fā)……

一個(gè)誘人方向是讓MOFs模擬酶的催化功能，用于加速化學(xué)反應(yīng)，為藥物開發(fā)等工作提供合成助力。我們已研制出可實(shí)現(xiàn)酶功能的MOFs材料，且其使用壽命和穩(wěn)定性遠(yuǎn)勝天然酶。未來10年左右，MOFs材料有望帶來令人驚喜的生物應(yīng)用。

我認(rèn)為另一項(xiàng)突破性應(yīng)用場(chǎng)景將來自“多變量材料”(multivariate materials)。這個(gè)研究方向目前鮮少為人關(guān)注，僅有我的實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)工作。我們理想中的“多變量”MOFs并非通體一致的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部環(huán)境呈現(xiàn)顯著差異。

怎樣實(shí)現(xiàn)？我們會(huì)選擇不同化合物“修飾”不同的模塊并將它們組合起來，從而在材料內(nèi)部構(gòu)建差異極大的微環(huán)境，引導(dǎo)特定分子執(zhí)行特定功能。實(shí)驗(yàn)證明，此類材料能實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)高效的氣體選擇性吸附。

在我看來，這代表著化學(xué)家思維模式的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)化學(xué)研究習(xí)慣制備均質(zhì)材料，而我們追求的是高度有序的骨架結(jié)構(gòu)結(jié)合高度異質(zhì)性的內(nèi)部環(huán)境。

Q：是什么讓您對(duì)MOFs和COFs的未來充滿信心？

A：

關(guān)于金屬有機(jī)框架和共價(jià)有機(jī)框架材料，當(dāng)前我們也只是略窺其門徑，不過創(chuàng)新的思路從未止步。自1990年代以來，網(wǎng)格化學(xué)領(lǐng)域持續(xù)擴(kuò)展，研究熱度始終高漲。如果觀察MOFs與COFs相關(guān)專利的增長(zhǎng)曲線，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們呈指數(shù)級(jí)上升趨勢(shì)。

這項(xiàng)工作的美妙之處在于，它將有機(jī)化學(xué)與無機(jī)化學(xué)相融匯，眼下更是結(jié)合了工程學(xué)和人工智能。它已超越傳統(tǒng)化學(xué)，代表真正的科學(xué)前沿。

資料來源：

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