當?shù)貢r間10月8日11時45分，2025 年諾貝爾化學獎公布，授予北川進（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）和奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi），以表彰“他們對金屬-有機框架的發(fā)展”。

三位獲獎者創(chuàng)造了一種具有巨大空間的分子結(jié)構(gòu)，使氣體和其他化學物質(zhì)能夠在其中流動。這些結(jié)構(gòu)被稱為金屬有機框架（metal-organic frameworks，簡稱 MOF），可用于從沙漠空氣中提取水分、捕獲二氧化碳、儲存有毒氣體，或催化化學反應。

三位獲獎者發(fā)展出一種全新的分子結(jié)構(gòu)架構(gòu)形式。在他們的設計中，金屬離子充當“角石”，由長鏈有機（以碳為基礎的）分子相互連接。金屬離子與有機分子共同組裝成具有大量空腔的晶體結(jié)構(gòu)。這種多孔材料被稱為金屬有機框架（MOF）。通過改變 MOF 所采用的構(gòu)筑單元，化學家可以定向設計出能夠捕獲和儲存特定物質(zhì)的材料。MOF 還可以驅(qū)動化學反應或?qū)щ姟?/p>

諾貝爾化學獎評審委員會主席 海納·林克（Heiner Linke） 表示：“金屬有機框架具有巨大的潛力，為定制化的新功能材料帶來了前所未有的可能性?！痹谌坏弥鞯牡旎园l(fā)現(xiàn)之后，化學家們已經(jīng)構(gòu)筑出數(shù)以萬計不同類型的 MOF。其中一些材料有望為人類解決重大挑戰(zhàn)提供助力，其應用包括：從水中分離全 氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS），分解環(huán)境中的微量藥物殘留，捕獲二氧化碳，以及從沙漠空氣中提取水分等。

重慶大學化學化工學院教授李存璞對《返樸》雜志表示，“本次諾貝爾獎所表彰的 MOF（金屬有機骨架）工作，是連接無機化學與有機化學的關鍵成果。其核心在于利用金屬離子作為連接中心，引導有機配體精確組裝形成具有高度有序性的多孔晶體結(jié)構(gòu)（即 MOF 材料）。對于我們能源領域而言，MOF 最大的應用價值體現(xiàn)在其作為碳材料和摻雜碳材料的理想模板。MOF 材料組裝成的結(jié)構(gòu)，在惰性氣氛下經(jīng)過高溫“燒結(jié)”（熱解）處理后，由于金屬離子與有機配體的精確配位和相互作用，其結(jié)構(gòu)會發(fā)生定向塌陷。這一過程可以得到具有特殊形貌和高比表面積的碳基材料。更重要的是，MOF 材料確保了金屬離子在碳骨架中的原子級均勻分散或均勻摻雜。由此獲得的均勻摻雜和特殊形貌的 MOF 衍生碳材料，在儲能化學（尤其是基于電容層的儲能技術）等領域展現(xiàn)出獨特的應用優(yōu)勢?！?/p>

“總結(jié)而言， MOF 材料的獲獎意義在于其在吸附分離領域中發(fā)揮了至關重要的作用，并通過作為碳材料模板，極大地拓展了其在能源、催化和材料科學中的廣泛應用潛力?！?/p>

獲獎者簡介

他們的分子結(jié)構(gòu)中，蘊藏著“化學反應的房間”

北川進（Susumu Kitagawa），1951 年出生于日本京都，1979 年獲日本京都大學博士學位，現(xiàn)任京都大學教授。

理查德·羅布森（Richard Robson），1937 年出生于英國格魯斯本，1962 年獲英國牛津大學博士學位，現(xiàn)任澳大利亞墨爾本大學教授。

奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi），1965 年出生于約旦安曼，1990 年獲美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校博士學位，現(xiàn)任美國加利福尼亞大學伯克利分校教授。

翻譯| 小桃、李志良、汪汪

他們?yōu)榛瘜W開辟了新的疆域

2025年諾貝爾化學獎授予北川進（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）、奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi ），以表彰他們創(chuàng)造了一種新的分子結(jié)構(gòu)類型——“金屬-有機框架”（metal-organic frameworks，MOF）。這種結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有可供分子進出的巨大空腔，利用這種結(jié)構(gòu)，研究人員已經(jīng)實現(xiàn)了從沙漠的空氣中收集水分，從水中提取污染物、捕獲二氧化碳，以及儲存氫氣等多種應用。

如果讓一位房產(chǎn)中介為MOF下一句通用介紹語，他大概會這樣說：“這是一間很有吸引力也很寬敞的公寓，仿佛是專門為‘水分子’量身打造的宜居空間?！蓖愋偷钠渌Y(jié)構(gòu)可能會被描述為“為捕獲二氧化碳量身打造”“為分離PFAs（全氟和多氟烷基物質(zhì)）量身打造”“為藥物的靶向輸送而量身打造”或者“為劇毒氣體的安全處理而量身打造”。有的MOF結(jié)構(gòu)可以捕集水果釋放出來的乙烯氣體，起到延緩水果成熟的作用；還有的可以封裝特定的酶，以分解環(huán)境中的微量抗生素。

圖1

簡而言之，MOF具有非凡的應用價值。北川進、理查德·羅布森、奧馬爾·亞吉首創(chuàng)了MOF這種結(jié)構(gòu)并揭示了其應用潛力，因而被授予2025年諾貝爾化學獎?；谒麄兊墓ぷ?，全球化學家如今已設計出數(shù)萬種功能各異的MOF材料，催生了一個又一個化學領域的奇跡。

如同科學史上許多重大突破，2025年諾貝爾化學獎的獲獎成果也起源于超越常規(guī)的思維——這一次，靈感迸發(fā)于一節(jié)尋?；瘜W課的備課過程，當時師生們正用球棍模型搭建分子結(jié)構(gòu)，而獲獎者卻從中窺見了分子建筑學的全新可能。

一個簡單的木質(zhì)模型，催生了一個重大發(fā)現(xiàn)

時值1974年，任教于澳大利亞墨爾本大學的理查德·羅布森受托將木球制成原子模型，供學生構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)。為此，他需要校辦車間在木球上鉆孔用以插接代表化學鍵的木棍。這些孔洞的定位絕非隨意——碳、氮、氯等每種原子形成化學鍵的方式都具有特定規(guī)律，羅布森必須精確標定每個鉆孔的位置。

當車間送回鉆完孔的木球后，羅布森開始嘗試組裝分子模型。就在這個過程中，他靈光乍現(xiàn)，意識到這些孔洞的排布方式蘊含著極為豐富的化學信息——由于孔位精確體現(xiàn)了原子成鍵規(guī)律，模型分子自然呈現(xiàn)出正確的三維構(gòu)型。這一發(fā)現(xiàn)催生出更宏大的構(gòu)想：若能利用原子固有的成鍵特性來連接不同類型的分子（而非單個原子），是否能夠創(chuàng)造出全新類型的分子結(jié)構(gòu)？

構(gòu)筑創(chuàng)新性的化學結(jié)構(gòu)

年復一年，當羅布森取出這些木制模型給學生上課時，相同的構(gòu)想總會浮現(xiàn)于腦海。然而直到十余載光陰流逝，他才最終決定付諸實驗。他最初的實驗方案受到了鉆石晶體結(jié)構(gòu)的啟發(fā)。鉆石晶體的每個碳原子與周圍四個碳原子形成了微型金字塔形（如圖2所示），這個分子結(jié)構(gòu)非常簡單，羅布森就從這個簡明的模型入手。他的目標是構(gòu)建類似結(jié)構(gòu)，但將以帶正電荷的銅離子（Cu?）為基礎，因為銅離子與碳原子相似，也傾向于與四個相鄰原子形成配位鍵。

他將銅離子與一種四臂分子4′,4″,4”’,4””-四氰基四苯基甲烷結(jié)合——其實你無須記住這個復雜名稱，你只要知道這種結(jié)合的“奧義”在于每個分子臂末端的氰基化學基團能與帶正電的銅離子相互吸引（圖2）。

圖2. 理查德·羅布森受鉆石結(jié)構(gòu)啟發(fā)（鉆石中每個碳原子均與四個相鄰碳原子鍵合形成金字塔形），采用銅離子與四臂分子進行組裝，每個分子臂末端的氰基對銅離子具有天然親和力。當這些物質(zhì)結(jié)合時，它們自發(fā)形成了結(jié)構(gòu)有序且擁有巨大空間的三維晶體。

當時多數(shù)化學家認為，銅離子與這種四臂分子結(jié)合只會形成雜亂無章的混合物。但結(jié)果卻驗證了羅布森的預想：正如他所推測的那樣，離子與分子間的內(nèi)在引力主導了組裝過程，它們自發(fā)排列成宏觀的分子結(jié)構(gòu)；而且與鉆石中碳原子的排列類似，它們形成了規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)。但不同于鉆石的是，這種晶體內(nèi)部并非致密，而是蘊含著大量空腔（圖2）。

1989年，羅布森在《美國化學會志》（

Journal of the American Chemical Society

事實證明，他預見了未來。

羅布森：“開路先鋒”

在他那篇開創(chuàng)性論文發(fā)表的第二年，羅布森陸續(xù)展示了多種新型分子結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)中的空腔可以容納不同物質(zhì)。例如，他利用其中一種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了離子交換實驗，即將載有離子的晶體浸入含異種離子的溶液，觀察到離子發(fā)生定向置換，首次證實了部分物質(zhì)在這種分子結(jié)構(gòu)中可自由穿行。

通過系列實驗，羅布森證明了理性設計能夠構(gòu)建具有寬敞內(nèi)腔的晶體，并實現(xiàn)針對特定化學分子的優(yōu)化適配。他前瞻性地指出，這種新型分子結(jié)構(gòu)經(jīng)過精準設計后，或?qū)⒂糜诖呋瘜W反應。

盡管羅布森的初期構(gòu)造物穩(wěn)定性欠佳，較易分解，令許多化學家視其為無用之作，但仍有學者洞察到其中蘊含的革命性。正是這些前瞻構(gòu)想，喚醒了化學界一系列“開疆拓土”之作。最終為這一愿景奠定堅實基礎的，是分別于1992—2003年取得突破性發(fā)現(xiàn)的北川進與奧馬爾·亞吉，現(xiàn)在，讓我們將目光轉(zhuǎn)向20世紀90年代的近畿大學——在那里，北川進的研究正悄然開啟新紀元。

北川進的座右銘：“無用之用，方為大用”

在整個科研生涯中，北川進始終遵循一個重要原則：嘗試發(fā)掘“無用之物的價值”。年輕時，他讀過諾貝爾獎得主湯川秀樹的著作。書中引用了中國古代哲學家莊子的觀點——我們必須質(zhì)疑那些被認為有用的東西。即便某物未能即刻帶來益處，終將顯現(xiàn)其價值。

因此當北川進開始探索多孔分子結(jié)構(gòu)的潛力時，他并不認為這些結(jié)構(gòu)必須具備特定用途。1992年他首次展示的分子構(gòu)造確實實用性有限：這種二維材料內(nèi)部存在空腔，僅能容納丙酮分子藏匿其中。然而這項成果源于分子構(gòu)建藝術的新思維方式。與羅布森相似，他采用銅離子作為基石，通過大分子將其連接起來。

北川進希望繼續(xù)探索這項新型構(gòu)造技術，但申請科研經(jīng)費時，資助方認為他的目標缺乏實質(zhì)意義。由于所創(chuàng)材料不穩(wěn)定且無實際用途，他的多數(shù)提案遭到拒絕。

圖3. 1997年，北川進成功制備出一種具有開放通道的金屬-有機框架材料。這些通道可充入不同類型的氣體，且材料在釋放氣體時其結(jié)構(gòu)不會受到影響

然而他并未放棄，1997年迎來了首次重大突破。他的研究團隊利用鈷、鎳或鋅離子與名為4,4′-聯(lián)吡啶的分子，創(chuàng)造出由開放通道交錯的三維金屬-有機框架（圖3）。當他們將其中一種材料干燥——即排出其中的水分——該材料保持穩(wěn)定，其空隙甚至能被氣體填充。該材料能吸收并釋放甲烷、氮氣和氧氣，且不改變形狀。

北川進洞察到其創(chuàng)造物的獨特性

盡管北川進的構(gòu)造體兼具穩(wěn)定性與功能性，但研究資助方仍未能領略其魅力。原因之一在于化學界已有硅酸鹽構(gòu)成的沸石——這種穩(wěn)定多孔材料本可實現(xiàn)氣體吸附，為何還要開發(fā)性能遜色的類似材料？

圖4. 1998年，北川進提出金屬-有機框架材料可制成柔性結(jié)構(gòu)。如今已有眾多柔性MOF材料能隨物質(zhì)填充或排出而改變形態(tài)

北川進深知，若想獲得重大科研資助，必須明確金屬-有機框架材料的獨特價值。因此，他在1998年的《日本化學會會報》中闡述了這一愿景。他列舉了MOFs的多重優(yōu)勢：例如可由多種分子構(gòu)建，蘊含著整合不同功能的巨大潛力。更重要的是——他意識到MOFs能夠形成柔性材料。不同于通常呈剛性結(jié)構(gòu)的沸石，MOFs由柔性分子單元構(gòu)成（圖4），能形成可塑性材料。

此后他只需將構(gòu)想付諸實踐。北川進與其他研究者著手開發(fā)柔性MOFs。與此同時，我們將目光轉(zhuǎn)向美國——奧馬爾·亞吉也在致力于將分子架構(gòu)推向新高度。

一次秘密圖書館之行開啟亞吉的化學啟蒙

選擇化學并非奧馬爾·亞吉的必然選擇。他與眾多兄弟姐妹在約旦安曼一間沒有電和自來水的房間長大。學校是他艱難生活中唯一的避風港。十歲那年，他偷偷溜進通常上鎖的學校圖書館，從書架上隨意抽取一本書。翻開書頁，那些晦澀卻迷人的圖畫瞬間吸引住他的目光——這是他初次邂逅分子結(jié)構(gòu)。

十五歲那年，在父親嚴厲的指令下，亞吉赴美求學。化學的魅力逐漸吸引他投身新材料設計領域，但他發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)構(gòu)建新分子的方式充滿不可預測性。通常，化學家將待反應物質(zhì)置于容器中混合，再加熱容器引發(fā)化學反應。目標分子雖能形成，卻常伴隨大量雜質(zhì)副產(chǎn)物。

1992年，亞吉在亞利桑那州立大學擔任首個研究組組長時，便致力于探索更可控的材料制備方法。他的目標是運用理性設計，像拼搭樂高積木般連接不同化學組分，構(gòu)建大型晶體。這一設想充滿挑戰(zhàn)，但當研究團隊開始將金屬離子與有機分子結(jié)合時，最終取得了突破。1995年，亞吉發(fā)表了兩種不同二維材料的結(jié)構(gòu)——它們?nèi)缤摄~或鈷元素連接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其中后者可在其空間內(nèi)容納客體分子，當空間完全填滿時，其穩(wěn)定性極高，即使加熱至350°C也不會坍塌。亞吉在《自然》雜志的論文中首次提出“金屬-有機框架”這一術語來描述這種材料。如今該術語用于指代由金屬與有機（碳基）分子構(gòu)成的、具有潛在空腔的延展有序分子結(jié)構(gòu)。

奧馬爾·亞吉所設計的MOF材料僅需數(shù)克即可容納一個足球場的面積

奧馬爾·亞吉在1999年首次發(fā)表了MOF-5材料，這標志著金屬有機框架發(fā)展史上的又一里程碑。MOF-5材料已經(jīng)成為了該領域的經(jīng)典之作，它是一種具有卓越的空間性與穩(wěn)定性的分子結(jié)構(gòu)，即使處于空載狀態(tài)，在300°C高溫下仍能保持結(jié)構(gòu)完整而不坍塌。

更令人驚訝的是，它內(nèi)部立方空腔所隱藏的巨大表面積。僅僅幾克 MOF-5 的內(nèi)部表面積就相當于一個足球場，這意味著它能吸附的氣體量遠遠超過沸石材料（zeolite）（見圖 5）。

與沸石相比，金屬有機框架的獨特之處還在于它們可以具有柔性結(jié)構(gòu)。僅僅幾年后，研究人員就成功開發(fā)出“柔性 MOFs”，其中一位正是北川進教授。他所設計的柔性材料在吸收水分子或甲烷后形狀會發(fā)生變化，而在釋放后又能恢復原狀。這種材料的行為很像一對“會呼吸的肺”——能吸入和呼出氣體，兼具可變性與穩(wěn)定性。

圖5. 1999年奧馬爾·亞吉構(gòu)建的MOF-5具有立方空間結(jié)構(gòu)及卓越穩(wěn)定性，數(shù)克材料即可具備足球場級別的比表面積。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

奧馬爾·亞吉研究團隊實現(xiàn)從沙漠空氣中提取飲用水

2002至2003年間，奧馬爾·亞吉通過發(fā)表于《Science》與《Nature》的兩篇論文，為金屬有機框架奠定了最終理論基礎。他的研究證實可以通過理性修飾策略對金屬有機框架進行定向改造，從而賦予材料不同的特性。他制造了 16 種 MOF-5 的變體，其空腔與原始材料相比或大或小（見圖 6）。其中一種變體可用于儲存大量甲烷氣體，Yaghi 提出這種材料可用于使用壓縮天然氣燃料的車輛。

此后，金屬有機框架材料風靡全球。研究人員像玩“分子積木”一樣，利用各種“零件”合成出具有不同形狀與功能的 MOFs，為基于理性設計或人工智能的定向合成MOFs提供了無限可能。亞吉的研究團隊甚至用 MOFs 在亞利桑那沙漠中成功實現(xiàn)了“收集飲用水”：夜間，材料從空氣中捕獲水蒸氣；白天陽光加熱后即釋放出可收集的液態(tài)水。

圖6. 二十一世紀初，奧馬爾·亞吉證實可構(gòu)建系列化MOF材料。通過調(diào)控分子連接體，成功獲得具備不同性質(zhì)的材料，包括16種具有不同孔徑的MOF-5變體。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

能捕獲二氧化碳與有毒氣體的MOF 材料

如今，研究人員已開發(fā)出多種功能化的 MOF 材料。雖然目前大多仍處于小規(guī)模應用階段，但許多公司已開始投資其規(guī)?；a(chǎn)與商業(yè)化，部分領域已取得實質(zhì)性進展。例如電子工業(yè)已利用 MOF 材料儲存用于半導體制造的有毒氣體；另有特定MOF可降解包括化學武器成分在內(nèi)的有害氣體；多家公司正在測試可從工廠與發(fā)電站廢氣中捕獲二氧化碳的MOF材料，以降低溫室氣體排放。

圖7. MOF-303可在夜間從沙漠空氣中捕獲水蒸氣，次日清晨材料受熱后即釋放飲用水；MIL-101具有巨型空腔結(jié)構(gòu)，已應用于催化降解污染水體中的原油與抗生素，同時具備儲氫與二氧化碳封存功能；UiO-67可吸附水體中的全氟烷基物質(zhì)，在水體凈化與污染物去除領域展現(xiàn)應用前景；ZIF-8正通過實驗研究用于從廢水中回收稀土元素；CALF-20具有非凡的二氧化碳吸附能力，目前正在加拿大某工廠進行測試；NU-1501經(jīng)優(yōu)化可實現(xiàn)常壓條件下的氫氣儲釋。氫能雖可作為車輛燃料，但常規(guī)高壓儲氫罐存在爆炸風險。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

一些研究人員確信金屬有機框架蘊藏著巨大的應用潛力，有望將成為二十一世紀的代表性材料，盡管其未來發(fā)展仍需時間驗證，但無論如何，北川進、理查德·羅布森與奧馬爾·亞吉的開創(chuàng)性工作已為化學家們應對現(xiàn)實挑戰(zhàn)提供了全新解決方案。正如阿爾弗雷德·諾貝爾（Alfred Nobel）遺囑所言：他們的卓越成就為人類帶來了巨大福祉。

來源：https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/popular-information/