快速解讀2025諾貝爾化學獎：螺螄殼里建摩天大廈

獲獎者公布

“諾貝爾周”進入了第三天，瑞典皇家科學院于當地時間 10 月 8 日宣布，將 2025年諾貝爾化學獎授予北川進(SusumuKitagawa)、理查德·羅布森(Richard Robson)和奧馬爾·M·亞吉(Omar M.Yaghi)，以表彰他們“在金屬有機框架領域的發展”。

圖源：https://www.nobelprize.org/

獲獎者將平分1100萬瑞典克朗（約合836萬元人民幣）獎金。

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什么是金屬有機框架

金屬有機框架（Metal-Organic Frameworks，簡稱MOFs）被譽為21世紀最具潛力的新材料之一，也是很多化學系學生并不陌生的詞匯。我國有句老話叫“螺螄殼里做道場”，形容在極小的空間里施展大本領。而MOFs的特點，就可以看成在分子尺度的“螺螄殼”里建造功能強大的“摩天大廈”，以實現各種特定的功能。科學家們通過精妙的設計，在納米尺度的空間里創造出了具有巨大內表面積和特定功能的材料體系。

MOFs的材料既有無機化學中的金屬離子，也包含有機化學中的有機配體。金屬離子和金屬簇就像是“支柱”，而有機配體分子則可以看成是“橫梁”，通過配位鍵的連接，就形成了具有高度有序的三維網絡結構。

MOF合成過程示意圖

在納米級的尺度下，這個“螺螄殼”里有著精巧的建筑群。內部充滿了天文量級多的孔道，就像無數個房間，而每個房間的大小只有幾個埃到幾個納米不等（1納米等于10億分之一米）。所以在宏觀的視角下，雖然整個材料的體積微乎其微，但其內部空間的利用效率卻達到了極致。

舉個例子，如果把一粒米大小的MOF晶體比作一個螺螄殼，那么這個“殼”里面的可用空間，展開后的面積可以達到一個網球場那么大！這種在微觀世界里創造宏觀空間的能力，正是MOFs最迷人的特性。僅僅1克MOF材料的內表面積就可以達到7000平方米以上，相當于一個標準足球場的面積。因此，MOF材料是目前地球上比表面積最大的材料，或許沒有之一。

MOFs的出現，就像一位武林高手，不僅打通了無機化學和有機化學，這兩門從大學就被分開的化學基礎學科，更加開創了一個領域：網狀化學（reticular chemistry）。所以當今年的諾貝爾化學獎回歸化學本身，盡管不可能平復所有爭議，但頒給研究MOFs的科學家，似乎也在情理之中。

無用之物亦可成大用

當然，像建造一個如此精密的“螺螄殼”不是一朝一夕的事情。MOF材料從誕生到發展，大致可以分成三個時期，而此次諾獎的三位獲獎者，正是不同階段的三位“宗師”。

證明“螺螄殼”可行（1974年-1990年初期）

就像無數科學故事一樣，MOFs理論的出現，也是一次無聊中迸發出的靈感。

1974年，在澳大利亞墨爾本大學任教的理查德·羅布森（Richard Robson）正在準備化學課的教學具，當時學生們還要用棍子和小球來搭建分子模型。羅布森接到的任務是，要給木球上鉆孔，以便搭建分子結構。

羅布森教授制作了大型木制晶體結構模型。圖片：保羅·伯斯頓/墨爾

孔洞的位置并不是隨意擺放的，而是在特定的位置。小球和棍子搭建好后，就能呈現特定的物質結構。就是在這個過程中，羅布森突然有了一個想法：我現在是用宏觀的物體表現微觀，那么微觀的分子結構，能不能也按照我宏觀的想法去搭建呢。能不能拿金屬離子做小球，有機分子做木棍呢？

結構的不同，就能呈現出不同的化學性質，這樣的情況在自然界再普通不過了。就比如鉆石和石墨，都是由碳原子組成的，但正因為結構不同，一個是自然界最堅硬的物質（并且昂貴），而另一個質地卻非常軟。但人為設計化學結構，并且需要把金屬離子和有機分子結合，在當時確實需要大膽的想象力。

左邊是鉆石結構，這是最簡單的實驗結構。右邊是銅I-四腈骨架具有

1990年，羅布森發表了一篇具有里程碑意義的論文首次系統地闡述了如何通過合理設計，讓金屬離子和有機分子自發組裝成三維網絡結構。如果說MOF領域是一個宏偉的建筑群，那么羅布森就是繪制第一張藍圖的建筑師。他的工作就像是告訴人們：我們不僅可以在宏觀世界建造摩天大樓，還可以在分子級的“螺螄殼”里創造同樣精妙的建筑。羅布森不僅預見了這種可能性，還提出了具體的設計原則，為后來的科學家們指明了方向。

微觀建筑界的貝聿銘（1990年代中后期-2000年）

沿著羅布森開創的道路，后來的科學家們嘗試了制備MOFs的各種可能性。最為突出的科學家，正是奧馬爾·M·亞吉（Omar M. Yaghi），他是一位出生在約旦，現為美國加州大學伯克利分校的教授。

1999年，亞吉的團隊在《自然》雜志上發表了論文，成功結晶了金屬有機結構MOF-5。科學家們終于在“螺螄殼”里建成了堅固的“摩天大廈”，MOF-5就是第一座真正意義上的微觀摩天大廈。這座“建筑”的內表面積超過3000平方米/克，在當時創造了世界紀錄。

MOF-5 分子結構圖wiki

不僅如此MOF-5還非常穩定，即使在加熱300°C而不會坍塌。這就意味著MOFs不再是理論，而是可以成為實用的材料。當然亞吉不滿足于建造單一的建筑，除了用金屬和有機分子建造，亞吉還開創了純有機材料建造的共價有機框架（COFs），進一步拓展了在“螺螄殼”里建造的可能性。

在2014年，亞吉的研究小組展示了一項堪稱“魔法”的實驗：他們在亞利桑那州干燥的沙漠空氣中收集到了水。在夜間，他們的MOF材料從空氣中捕獲水蒸氣。當黎明來臨，陽光加熱材料時，液體水就出現了。因此稱亞吉為“微觀建筑界的貝聿銘”一點也不過分。

MOF吸收水分的原理圖。V. Altounian/Science

“摩天大廈”還會呼吸（2000年代-至今）

如果說早期的MOFs像是在“螺螄殼”里建造的固定建筑，那么京都大學的教授北川進開發的柔性MOFs，就像是可以伸縮變形的智能建筑。1997年，他首次報道了具有動態結構的MOF，這種材料可以根據“住戶”（客體分子）的進出而改變自己的結構，就像是能夠自動調整空間布局的智能大廈。

北川進曾展示過傳統的催化物質沸石和MOF之間的差異。沸石就是一塊不會動的石頭，不會因為材料的濃度發生形狀的改變。可是MOF在充滿水或甲烷時，它會改變形狀；當排空時，它又會恢復原狀。這種像一個可以吸入和呼出氣體的肺，既可變又穩定。

北川進非常推崇我國莊子的“無用之用”：世人皆知有用之用，而莫知無用之用也。而MOFs物質的特性，也多少帶有一絲玄學的味道：它似乎看起來就像孔很多的海綿，但實際上在生產和生活的眾多領域，MOFs都在發揮著巨大的價值。

“糖衣”能包炮彈，更能包含萬物

多孔的MOFs材料，我們很容易就想到它能夠作為催化劑或者吸附劑。這些微型的“摩天大廈”可以作為反應容器將催化劑固定在孔道內。反應物分子進入后，在特定的微環境下被高效、高選擇性地轉化為目標產物，能大幅提高化工生產的效率和減少污染。目前已經有科學團隊，在嘗試使用MOFs對CO?分子進行捕獲，而其他氣體分子卻可以自由通過。這樣就可以從工廠和發電站直接吸附CO?，以減少溫室氣體排放。

目前MOFs材料研究的另外一個熱門領域，就是把MOFs作為鋰離子電池的電極材料，或者利用MOFs儲存能量，它能夠快速進行充放電，從而實現高功率輸出。而在天然氣存儲方面，MOFs已經從實驗室走向了實際應用。傳統的天然氣存儲需要高壓鋼瓶，既危險又笨重。而使用MOFs，就像是在“螺螄殼”里建造了無數個微型儲氣罐，可以在較低壓力下存儲同樣多的天然氣，大大提高了安全性。

理論上，MOFs材料甚至可以制作成危險的“糖衣炮彈”，用于儲存或釋放有毒氣體以及放射性物質，它超強的儲存能力，只需要微型的導彈就足以毀滅一座城市。當然，MOFs材料主要還是應用在分解化學毒劑和吸附有毒物質，有一些防毒面具和防護服已經采用了MOFs材料。

水處理和凈化、氫氣存儲、太陽能轉換、核廢料處理、疾病診斷、藥物制備、太空探索……MOFs幾乎無所不能，“螺螄殼里建摩天大廈”的理念體現了現代化學的精髓，在原子和分子水平上精確設計和構建功能材料。這種分子工程的思想不僅推動了材料科學的發展，也為其他科學領域提供了新的研究范式。而至于MOFs還能做什么，或許只取決于人類想讓它做什么。

MOF部分應用領域

所以當今年諾貝爾化學獎回歸化學本身，也是提醒著我們化學作為“中心科學”，在推動人類文明進步中始終扮演著不可替代的角色，新物質的創造和化學研究依舊有著重要的價值。

參考資料：

[1] The man who built a whole new field of chemistry. https://pursuit.unimelb.edu.au/articles/the-man-who-built-a-whole-new-field-of-chemistry

[2] Li, H., Eddaoudi, M., O'Keeffe, M. et al. Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework. Nature 402, 276–279 (1999). https://doi.org/10.1038/46248

[3] This new solar-powered device can pull water straight from the desert air. https://www.science.org/content/article/new-solar-powered-device-can-pull-water-straight-desert-air

[4] "Susumu Kitagawa". Angewandte Chemie International Edition. 48 (47): 8818–8820. 9 November 2009. doi:10.1002/anie.200904270.