他們在分子世界裏“造房子”！解讀2025年諾貝爾化學獎

記者 張佳欣

如果一名房地產中介負責推銷分子世界的房產，他或許會説：“這是一間寬敞明亮、專為水分子量身定製的單身公寓。”

這樣的“房子”確實存在。它們是由科學家精心設計的分子建築——金屬有機框架（MOF）。今年，諾貝爾化學獎授予日本科學家北川進、澳大利亞科學家理查德·羅布森和美國科學家奧馬爾·亞吉，以表彰他們在MOF材料開發方面的開創性貢獻。

這種新型分子結構內部擁有大量空腔，分子可在其中自由進出。得益於三位科學家的工作，化學家如今已能設計出數以萬計的不同MOF，為化學領域帶來一連串“奇蹟”。

理查德·羅布森：“分子建築”靈感源自一節化學課

科學發現常始於“跳出框架”的思考。2025年諾貝爾化學獎的故事，源自一節普通的化學課準備。

1974年，理查德·羅布森正在為課堂製作分子模型，他用木球代表原子、木棒代表化學鍵。擺弄間，他靈光一現：如果能像拼積木一樣，讓原子或分子依照其化學特性自行連接，能否構建出新的“分子建築”？

直到十多年後，他終於動手驗證這一想法。羅布森將帶正電的銅離子與四臂分子相結合，結果這些分子像鑽石晶格一樣自組裝成規則的三維晶體結構，不同的是，這種晶體內部竟有大量空腔。1989年，他在《美國化學會志》上發表成果，首次提出這類分子網絡的潛力，預言它們將賦予材料前所未有的性質。

理查德·羅布森的靈感來源於鑽石的結構，鑽石中的每個碳原子都與其他四個碳原子連接，形成金字塔狀的結構。

此後，羅布森陸續合成出多種含空腔的分子網絡，並證明這些結構內部的離子可以互換，從而讓物質進出。他展示了可按需設計的分子晶體，並提出這種材料可用作催化劑。儘管早期材料脆弱、易分解，被認為“沒用”，但羅布森已打開了“分子建築”的大門。

北川進：讓“無用之物”變得有用

20世紀90年代，北川進接過了羅布森探索的火種。他奉行的信條是：“要看到‘無用之物’的用處。”

1992年，北川進構建出一種二維分子材料，分子之間形成可容納丙酮分子的空腔。雖然功能有限，但這代表一種全新的分子設計思維。他同樣用金屬離子作為“支點”，以有機分子相連。

1997年，北川進成功構建出一種金屬有機骨架，其內部由開放通道相交。

1997年，他的團隊用鈷、鎳、鋅離子與4,4′-聯吡啶分子搭建出三維MOF結構，形成交錯的空腔通道。當他們將材料中的水去除後，這些孔洞仍然穩定，可以吸附和釋放甲烷、氧氣、氮氣等氣體而不變形。

面對“已有多孔沸石，為何還要MOF？”的質疑，北川進給出關鍵答案。他認為，MOF可由多種金屬和有機分子構建，功能可定製，並且材料柔韌，能如呼吸般吸附和釋放氣體。這一定義奠定了MOF的科學基礎。

奧馬爾·亞吉：為分子積木命名並賦予力量

在大洋彼岸，奧馬爾·亞吉延續並拓展了這一理念。

1995年，亞吉正式提出“金屬有機框架（MOF）”這一名稱，定義了這種由金屬節點和有機配體組成、具有規則空腔的晶體結構。

1999年，亞吉構建了一種非常穩定的材料——MOF-5，它具有立方體結構。

隨後，他於1999年研發出MOF-5，這是一種極其穩定且空間巨大的框架結構，即使在300℃高温下也不會坍塌。最令人震驚的是其內部表面積：幾克MOF-5的內部總面積相當於一個足球場，遠超傳統沸石。這意味着它能吸附更多氣體。

亞吉的團隊繼續擴展MOF家族，創造出十幾種變體，用以儲存甲烷、捕獲二氧化碳，甚至在沙漠中利用MOF創造了“空中取水”的奇蹟：夜晚材料吸附空氣中的水汽，白天經太陽加熱後釋放出液態水，為乾旱地區提供取水新途徑。

MOF-303可以在夜間捕獲沙漠空氣中的水蒸氣。當早晨太陽加熱該材料時，便會釋放出可供飲用的水。

如今，科學家已設計出數以萬計的MOF，它們被用於碳捕集、空氣淨化、藥物遞送、能源存儲等眾多前沿領域。甚至在半導體制造中，也有MOF被用於捕捉或分解劇毒氣體。

一些科學家認為，MOF潛力巨大，有望成為“21世紀的材料”。無論未來如何，通過MOF的開發，三位科學家為我們提供瞭解決能源、環境與健康等重大問題的新途徑，而這正契合了諾貝爾遺囑中“造福人類”的精神。

來源：科技日報 文中圖片均來自諾貝爾獎官網