新智元報(bào)道

編輯：艾倫 好困

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

剛剛，2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉！

今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，也與AI無(wú)關(guān)。

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

他們的獲獎(jiǎng)理由是：「在金屬有機(jī)框架（MOF）材料發(fā)展方面的貢獻(xiàn)」。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，獲獎(jiǎng)?wù)邆儤?gòu)建了一種被稱為金屬有機(jī)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(xué)物質(zhì)進(jìn)出流通。

基于這些開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，化學(xué)家們已經(jīng)構(gòu)建了數(shù)以萬(wàn)計(jì)不同種類的金屬有機(jī)框架（MOF）。

其中一些有望為解決人類面臨的部分最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)做出貢獻(xiàn)：

• 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(duì)此，諾貝爾化學(xué)委員會(huì)主席Heiner Linke表示：「金屬有機(jī)框架潛力巨大，為開(kāi)發(fā)具有新功能的定制化材料帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇?！?/p>

今年獎(jiǎng)金總額達(dá)1100萬(wàn)瑞典克朗（約835萬(wàn)元人民幣），由三位獲獎(jiǎng)?wù)咂椒帧?/p>

獲獎(jiǎng)原因

Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi創(chuàng)造了一種被稱為金屬有機(jī)框架的機(jī)構(gòu)，它含有巨大的空腔，分子可以在其中進(jìn)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(chǔ)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(shè)計(jì)」——這或許是房產(chǎn)中介會(huì)用來(lái)描述近幾十年來(lái)全球各實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的眾多金屬有機(jī)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(jiǎn)而言之，金屬有機(jī)框架（MOF）的用途極其廣泛。

得益于獲獎(jiǎng)?wù)邆兊墓ぷ鳎瘜W(xué)家們已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)出數(shù)以萬(wàn)計(jì)的不同 MOF，催生了新的化學(xué)奇跡。

正如科學(xué)領(lǐng)域中常見(jiàn)的那樣，2025 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的故事始于一個(gè)跳出思維定式的人。

這一次，靈感是在準(zhǔn)備一堂經(jīng)典化學(xué)課時(shí)產(chǎn)生的，課上學(xué)生們將要用棍和球來(lái)搭建分子。

始于一個(gè)簡(jiǎn)單的木制分子模型

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

為此，他需要大學(xué)的工作坊在木球上鉆孔，這樣代表化學(xué)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(huì)以特定的方式形成化學(xué)鍵，因此Robson需要標(biāo)記出應(yīng)該在哪里鉆孔。

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

由于孔洞的位置，模型分子自動(dòng)具有了正確的形狀和結(jié)構(gòu)。這

一洞見(jiàn)引出了他的下一個(gè)想法：如果他利用原子的固有屬性來(lái)連接不同類型的分子，而不是單個(gè)原子，會(huì)發(fā)生什么？他能否設(shè)計(jì)出新型的分子結(jié)構(gòu)？

每年，當(dāng)Robson拿出木制模型教新學(xué)生時(shí)，同樣的想法都會(huì)在他腦中浮現(xiàn)。然而，十多年過(guò)去了，他才決定付諸實(shí)踐。

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

Robson的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)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(gè)其他原子。

他將銅離子與一個(gè)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(fù)雜的名字，但重要的是，分子每條臂的末端都有一個(gè)化學(xué)基團(tuán)——腈，它會(huì)被帶正電的銅離子所吸引。

在當(dāng)時(shí)，大多數(shù)化學(xué)家都會(huì)認(rèn)為，將銅離子與四臂分子結(jié)合會(huì)得到一堆如鳥(niǎo)巢般雜亂的離子和分子混合物。

Robson預(yù)測(cè)，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(gè)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(gè)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(guó)化學(xué)會(huì)志》上展示了他創(chuàng)新的化學(xué)作品。

在文章中，他對(duì)未來(lái)進(jìn)行了推測(cè)，并提出這可能提供一種構(gòu)建材料的新方法。

他寫(xiě)道，這些材料可能會(huì)被賦予前所未見(jiàn)的特性，并可能是有益的。

事實(shí)證明，他預(yù)見(jiàn)了未來(lái)。

Robson

在化學(xué)界掀起一股開(kāi)拓?zé)岢?/strong>

就在他開(kāi)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(jìn)出該結(jié)構(gòu)。

在他的實(shí)驗(yàn)中，Robson表明，理性設(shè)計(jì)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(xué)物質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化。

他提出，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，這種新形式的分子結(jié)構(gòu)可以用于催化化學(xué)反應(yīng)等。

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

許多化學(xué)家認(rèn)為它們毫無(wú)用處，但有些人能看到他有所發(fā)現(xiàn)，對(duì)他們而言，他對(duì)未來(lái)的想法喚醒了一種開(kāi)拓精神。

后來(lái)為他的愿景奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的是Susumu Kitagawa和Omar M. Yaghi。

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

我們將從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，從當(dāng)時(shí)在日本近畿大學(xué)工作的Susumu Kitagawa說(shuō)起。

Susumu Kitagawa

座右銘是「無(wú)用之用」

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

當(dāng)他還是個(gè)年輕學(xué)生時(shí)，他讀了諾貝爾獎(jiǎng)得主Yukawa Hideki（湯川秀樹(shù)）的一本書(shū)。

書(shū)中，Yukawa引用了中國(guó)古代哲學(xué)家莊子的話，莊子說(shuō)我們必須質(zhì)疑我們認(rèn)為有用的東西。即使某物不能帶來(lái)直接的好處，它仍可能被證明是有價(jià)值的。

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

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

但它是源于一種關(guān)于分子構(gòu)建藝術(shù)的新思維方式。像Robson一樣，他使用銅離子作為基石，通過(guò)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(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但當(dāng)他申請(qǐng)資助時(shí)，研究資助者們認(rèn)為他的抱負(fù)沒(méi)有什么特別的意義。他創(chuàng)造的材料不穩(wěn)定且沒(méi)有用途，所以他的許多提案都被拒絕了。

然而，他沒(méi)有放棄，并在1997年取得了他的第一個(gè)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(kāi)放通道的三維金屬有機(jī)框架（如下圖所示）。

當(dāng)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?dú)夂脱鯕狻?/p>

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(wú)法看到它們的魅力。

一個(gè)原因是化學(xué)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(kāi)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(jī)框架的獨(dú)特之處。

于是，在1998年，他在《日本化學(xué)會(huì)志》上提出了MOF的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。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(shí)踐。Susumu Kitagawa與其他研究人員一起，開(kāi)始開(kāi)發(fā)柔性MOF。

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

Yaghi

偷偷溜進(jìn)圖書(shū)館后，他愛(ài)上了化學(xué)

學(xué)習(xí)化學(xué)對(duì)Omar M. Yaghi來(lái)說(shuō)并非一個(gè)顯而易見(jiàn)的選擇。

他和他的許多兄弟姐妹在約旦安曼的一個(gè)沒(méi)有電和自來(lái)水的單間里長(zhǎng)大。學(xué)校是他充滿挑戰(zhàn)的生活中的避難所。

10歲時(shí)，他有一天偷偷溜進(jìn)了通常上鎖的學(xué)校圖書(shū)館，并從書(shū)架上隨機(jī)選了一本書(shū)。

打開(kāi)書(shū)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(shí)，他在父親的嚴(yán)令下，移居美國(guó)求學(xué)。這次，他再次被化學(xué)所吸引，并最終迷上了設(shè)計(jì)新材料的藝術(shù)。

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

通常，化學(xué)家將要相互反應(yīng)的物質(zhì)在一個(gè)容器中混合。然后，為了開(kāi)始化學(xué)反應(yīng)，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(dāng)Yaghi在亞利桑那州立大學(xué)開(kāi)始他作為研究組長(zhǎng)的第一個(gè)職位時(shí)，他想找到更可控的方法來(lái)創(chuàng)造材料。

他的目標(biāo)是使用理性設(shè)計(jì)，像搭樂(lè)高積木一樣連接不同的化學(xué)成分，來(lái)制造大型晶體。這被證明是具有挑戰(zhàn)性的，但當(dāng)研究小組開(kāi)始將金屬離子與有機(jī)分子結(jié)合時(shí)，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(dāng)這些空間被完全占據(jù)時(shí)，它非常穩(wěn)定，可以被加熱到350°C而不會(huì)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(jī)框架」這個(gè)術(shù)語(yǔ)；該術(shù)語(yǔ)現(xiàn)在用來(lái)描述由金屬和有機(jī)（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(jī)框架的發(fā)展中樹(shù)立了下一個(gè)里程碑，他向世界展示了MOF-5。這種材料已成為該領(lǐng)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(huì)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(gè)足球場(chǎng)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(shí)間就成功開(kāi)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(dāng)他的材料充滿水或甲烷時(shí)，它會(huì)改變形狀，當(dāng)它被排空時(shí)，又會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形態(tài)。這種材料的行為有點(diǎn)像一個(gè)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(jī)框架的基礎(chǔ)拼上了最后的拼圖。

在《科學(xué)》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(gè)變體可以儲(chǔ)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(jī)框架席卷了全世界。

研究人員開(kāi)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(duì)不同目的進(jìn)行理性設(shè)計(jì)——或基于AI的設(shè)計(jì)——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(dāng)黎明來(lái)臨，太陽(yáng)加熱材料時(shí)，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(qiáng)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(lái)儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)性地用于從廢水中開(kāi)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(jìn)行測(cè)試。

·NU-1501經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可在常壓下儲(chǔ)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(rèn)為，金屬有機(jī)框架具有如此巨大的潛力，它們將成為二十一世紀(jì)的材料。

時(shí)間會(huì)證明一切，但通過(guò)開(kāi)發(fā)金屬有機(jī)框架，Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi為化學(xué)家們解決我們面臨的一些挑戰(zhàn)提供了新的機(jī)遇。

因此，他們——正如諾貝爾的遺囑所言——為全人類帶來(lái)了最大的福祉。

獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介

Susumu Kitagawa

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

他在1997年首次通過(guò)氣體吸附實(shí)驗(yàn)證明配位聚合物具有「多孔性」，從而開(kāi)創(chuàng)了多孔配位聚合物（PCP）/金屬有機(jī)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(xué)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(jìn)發(fā)表論文逾六百篇、被引用數(shù)萬(wàn)次，并在學(xué)術(shù)界獲得眾多榮譽(yù)，包括日本學(xué)士院獎(jiǎng)、紫綬褒章、De Gennes獎(jiǎng)、Royal Society院士等。

Richard Robson

Richard Robson，1937年6月4日出生于英國(guó)戈?duì)査贡?，是墨爾本大學(xué)的無(wú)機(jī)化學(xué)教授，因其在配位聚合物領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性研究而被譽(yù)為晶體工程與金屬-有機(jī)框架（MOF）化學(xué)的先驅(qū)。

他在1970年代至1980年代逐步提出并驗(yàn)證利用金屬離子與有機(jī)連接體構(gòu)建三維長(zhǎng)程配位網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)。

Omar M. Yaghi

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

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

讓我們?cè)俅蜗蛉粋ゴ蟮幕瘜W(xué)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/