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人類文明常以材料命名時代。比如教科書里描繪的遙遠的石器時代和青銅時代，又如當前以計算機和手機為標志的硅時代。未來時代將由何種材料定義？

2025年諾貝爾化學獎得主奧馬爾·亞吉(Omar Yaghi)認為，金屬有機框架材料——或稱MOFs——有望開創(chuàng)下一個材料時代。亞吉等人在1990年代領銜MOFs的研發(fā)工作，貢獻了革命性的合成方法，并因此榮獲諾獎。（參見）

MOFs還有個好兄弟COFs，即共價有機框架。二者均屬晶體材料，而它們最獨特之處在于：作為晶體，竟有著驚人的孔隙率。

1999年，亞吉團隊合成的鋅基材料MOF-5引起轟動。這種布滿孔隙的材料只需達到區(qū)區(qū)幾克，其內表面積就堪比足球場。

過去幾十年間，亞吉一直引領著新型MOFs和COFs材料的研究前沿。這一化學新分支被學界稱為“網格/網狀化學”(reticular chemistry)，不斷拓展材料的應用邊界。

MOFs和COFs豐富的內部孔隙可吸附其他分子，從而實現神奇功用，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存氫氣等。

近期，亞吉教授接受《新科學家》（

New scientist

Q：您為何會對金屬有機框架材料產生興趣，會選擇進入網格化學領域？

A：

我們剛開始研究MOFs時，并未設想能用它解決某個大問題、取得某種大突破，只將其視為一項純粹的智力挑戰(zhàn)：能否做到像搭積木、砌磚房那般逐個分子地構筑材料？這確實是化學領域極具挑戰(zhàn)性的課題之一。當時許多人堅信這條路行不通，認為投入研究只是徒勞。

Q：為什么最初大家認為MOFs材料是不可設計的？

A：

通常情況下，當你把制備材料所需的化學單元混到一起后，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。

而我們的目標是晶體，是具有重復周期性結構的有序物質。打個比方，大自然結晶鉆石的過程長達十億年，我們卻試圖一天之內就完成它。不過我始終相信，只要掌握對的方法，任何物質都可結晶。

金屬有機框架材料由碳基有機連接體和金屬原子構成；它們相互連接，形成具有龐大內部空腔網絡的晶體結構。通過改變連接體與金屬的種類，可以調整空腔的特性，使其適用于儲存包括二氧化碳和水蒸氣在內的多種不同氣體。

Q：您的直覺后來被證明是正確的。1999年，您與團隊在《自然》雜志撰文報告了MOF-5的合成工作，及其展現的前所未見的穩(wěn)定性。彼時您是否預料到這類材料最終帶來實用價值？

A：

那時候我們發(fā)現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理。我們意識到，在合成MOFs的過程中，這種溶劑分子進入反應體系后，對調控無序傾向具有關鍵作用。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。這些材料內有空間微腔，恰好能容納H?O、CO?之類的分子。(如前文所述，內部空腔雖是微納級別的，但其提供的內表面積相較材料本身規(guī)格可謂巨大。)

Q：能否談談如今您制備這類材料的思路？

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。其實做化學與做菜有相通之處：我力求簡化材料制備流程，只用到真正必需的化學原料。

首先，選定材料的骨架。其次，確定材料孔隙的尺寸。此外，不妨在骨架結構上進行化學修飾，添加特定分子。這么做的目的關系到最后一步，即讓二氧化碳之類的目標物被吸附至材料內含的空腔。(化學修飾有助于吸附。)在我看來，整個過程簡潔而又精妙。

Q：關于MOFs和COFs的研究讓您探索了哪些新技術？

A：

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

我們想瞄準那些目前缺乏適用材料或所有材料效能不佳的領域，以所謂的“理性設計”方式從分子層面構建更優(yōu)質的材料。材料制備技術的進步，會帶動社會標準的提升。

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，接受了我們在加州大學伯克利分校進行的超百次捕集與釋放循環(huán)測試。Atoco計劃利用COF-999等網格材料，構建適用于從工業(yè)場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千升水的材料。以此為基礎制造的設備，即使身處美國內華達沙漠這般濕度低于20%的極端環(huán)境，仍能提取水蒸氣。我認為大氣集水技術將在10年內發(fā)展為日常科技。

金屬有機框架材料為晶體結構，其內部布滿微孔

Q：現有其他技術也能捕獲水和二氧化碳，MOFs與COFs對比它們有何優(yōu)勢？

A：

我們對材料的化學過程有著高度控制，因此相關設備能以可持續(xù)方式制造。這些設備將穩(wěn)定運行許多年，其中的MOFs部件達到使用壽命終點后，可通過水完全分解，確保不會有MOFs泄漏至環(huán)境。因此，即使未來MOFs材料實現多噸級規(guī)模的生產并廣泛應用于各領域，我們也不會面臨“MOFs廢棄物難題”。

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

但不可否認，當前我們仍面臨諸多挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)來自規(guī)?；a的難點，來自怎樣提升材料的化學穩(wěn)定性，也來自如何精準控制材料釋放已吸附分子的時間與方式。

舉個例子，我們已能實現噸級MOFs的生產，但COFs材料尚無法達到同等規(guī)模。預計未來幾年內，我們將突破瓶頸。再以集水技術為例，材料對水分的吸附強度過大或過小都不好，需要精準調控。

我們現在正運用AI智能體優(yōu)化MOFs和COFs的設計，力求提高開發(fā)效率。

通常來說，創(chuàng)建基礎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)過程可能耗時一年。若AI智能體加速進程，那將帶來革命性變化。我曾面對面地鼓勵實驗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：您認為網格化學有哪些應用前景值得期待？

A：

如今網格化學已是個宏大領域，化學家身處其中，探索熱情堪比糖果店里的孩子們。想想，數以百萬計的新型MOFs等著我們開發(fā)……

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

我認為另一項突破性應用場景將來自“多變量材料”(multivariate materials)。這個研究方向目前鮮少為人關注，僅有我的實驗室開展相關工作。我們理想中的“多變量”MOFs并非通體一致的結構，其內部環(huán)境呈現顯著差異。

怎樣實現？我們會選擇不同化合物“修飾”不同的模塊并將它們組合起來，從而在材料內部構建差異極大的微環(huán)境，引導特定分子執(zhí)行特定功能。實驗證明，此類材料能實現更精準高效的氣體選擇性吸附。

在我看來，這代表著化學家思維模式的轉變。傳統(tǒng)化學研究習慣制備均質材料，而我們追求的是高度有序的骨架結構結合高度異質性的內部環(huán)境。

Q：是什么讓您對MOFs和COFs的未來充滿信心？

A：

關于金屬有機框架和共價有機框架材料，當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，網格化學領域持續(xù)擴展，研究熱度始終高漲。如果觀察MOFs與COFs相關專利的增長曲線，你會發(fā)現它們呈指數級上升趨勢。

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

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