2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi，以表彰他們?cè)?strong>金屬有機(jī)框架（MOF）材料的發(fā)展方面所作出的貢獻(xiàn)。

Susumu Kitagawa（左）、Richard Robson（中）和Omar M. Yaghi（右）。（圖/Nobel Prize Outreach）

什么是金屬有機(jī)框架？在這種結(jié)構(gòu)中，金屬離子充當(dāng)“基石”，通過(guò)長(zhǎng)鏈有機(jī)（含碳）分子相互連接。金屬離子與分子共同排列，形成含有大空腔的晶體。這類(lèi)多孔材料就被稱(chēng)為金屬有機(jī)框架。

我們可以把MOF看作是分子層級(jí)的建筑，那么每個(gè)“房間”都是專(zhuān)門(mén)為某種分子量身定做的，這些分子可以“入住”“移動(dòng)”或“被捕捉”。因此，這些結(jié)構(gòu)擁有巨大潛力，為定制化的新功能材料帶來(lái)了前所未有的可能性。那么今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主是如何構(gòu)建MOF的呢？

1989年，Robson首次發(fā)表了他的“分子建筑”構(gòu)想，開(kāi)啟了MOF的化學(xué)篇章。他將帶正電的銅離子與一種四臂狀分子結(jié)合，這種分子的每個(gè)“臂”末端都帶有能與銅離子結(jié)合的化學(xué)基團(tuán)。結(jié)合后，它們形成了一個(gè)有序且寬敞的晶體。

Richard Robson受到金剛石結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，金剛石的每個(gè)碳原子都與其他四個(gè)碳原子相連，呈金字塔狀。Robson沒(méi)有使用碳離子，而是用銅離子和一個(gè)四臂分子，每臂末端都有一個(gè)腈。這是一種會(huì)被銅離子吸引的化合物。當(dāng)這些物質(zhì)結(jié)合在一起時(shí)，它們形成了一個(gè)有序的、非常寬敞的晶體。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

Robson立即意識(shí)到了這種分子結(jié)構(gòu)的潛力，但它不穩(wěn)定，容易坍塌。

在1992至2003年間，Kitagawa和Yaghi分別取得了一系列革命性發(fā)現(xiàn)，為這種構(gòu)筑方法奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

Kitagawa展示了氣體可在這些結(jié)構(gòu)中進(jìn)出，并預(yù)測(cè)MOF可以被制成可“呼吸”的柔性材料。

1997年，Kitagawa成功地創(chuàng)造了一個(gè)由開(kāi)放通道交叉的金屬有機(jī)框架。這些通道可以填充不同類(lèi)型的氣體。這種材料可以在不影響其結(jié)構(gòu)的情況下釋放這些氣體。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

1998 年，Kitagawa提出，金屬有機(jī)框架（MOF）可以被制成具有柔性的結(jié)構(gòu)。如今，已經(jīng)有大量的柔性 MOF，可以在被不同物質(zhì)填充或釋放時(shí)改變形狀。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

1999年，Yaghi則創(chuàng)造出高度穩(wěn)定的MOF-5，這是金屬有機(jī)框架發(fā)展史上的又一個(gè)里程碑。MOF-5是一種在該領(lǐng)域被視為經(jīng)典的材料——分子結(jié)構(gòu)寬敞而穩(wěn)定，即使在完全空置的狀態(tài)下加熱至300°C，也不會(huì)坍塌。

1999年，Yaghi構(gòu)建了MOF-5，其內(nèi)部由立方形空腔組成。僅僅幾克這種材料，內(nèi)部表面積就相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)之大。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

在21世紀(jì)初，Yaghi證實(shí)了制造整個(gè)MOF材料族的可行性。他改變了分子鏈，從而產(chǎn)生了具有不同性質(zhì)的材料。其中包括MOF-5的16種具有不同大小的空腔的變體。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

如今， 化學(xué)家們已構(gòu)建出數(shù)以萬(wàn)計(jì)的不同MOF。其中一些有望幫助人類(lèi)解決重大挑戰(zhàn)，例如從水中分離PFAS、分解環(huán)境中藥物殘留、捕獲二氧化碳或從沙漠空氣中收集水分。

具有不同功能的MOF。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

一些科學(xué)家認(rèn)為，金屬有機(jī)框架具有如此巨大的潛力，以至于它將成為二十一世紀(jì)的代表性材料。未來(lái)如何，尚待時(shí)間檢驗(yàn)。但可以肯定的是，正因?yàn)镵itagawa、Robson和Yaghi的努力，化學(xué)家們?nèi)缃駬碛辛巳碌耐緩饺ソ鉀Q人類(lèi)面臨的諸多難題。他們的工作，正如諾貝爾在遺囑中所寫(xiě)的那樣——為人類(lèi)帶來(lái)了最大的福祉。

#參考來(lái)源：

https://www.nobelprize.org

#圖片來(lái)源：

封面圖 & 首圖：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences