2025年諾獎：為化學開辟新空間的魔術師

2025年諾貝爾化學獎授予Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi，以表彰他們在金屬有機框架（MOF）材料的發展方面所作出的貢獻。

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

什么是金屬有機框架？在這種結構中，金屬離子充當“基石”，通過長鏈有機（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。這類多孔材料就被稱為金屬有機框架。

我們可以把MOF看作是分子層級的建筑，那么每個“房間”都是專門為某種分子量身定做的，這些分子可以“入住”“移動”或“被捕捉”。因此，這些結構擁有巨大潛力，為定制化的新功能材料帶來了前所未有的可能性。那么今年的諾貝爾化學獎得主是如何構建MOF的呢？

1989年，Robson首次發表了他的“分子建筑”構想，開啟了MOF的化學篇章。他將帶正電的銅離子與一種四臂狀分子結合，這種分子的每個“臂”末端都帶有能與銅離子結合的化學基團。結合后，它們形成了一個有序且寬敞的晶體。

Richard Robson受到金剛石結構的啟發，金剛石的每個碳原子都與其他四個碳原子相連，呈金字塔狀。Robson沒有使用碳離子，而是用銅離子和一個四臂分子，每臂末端都有一個腈。這是一種會被銅離子吸引的化合物。當這些物質結合在一起時，它們形成了一個有序的、非常寬敞的晶體。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

Robson立即意識到了這種分子結構的潛力，但它不穩定，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現，為這種構筑方法奠定了堅實基礎。

Kitagawa展示了氣體可在這些結構中進出，并預測MOF可以被制成可“呼吸”的柔性材料。

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

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

1999年，Yaghi則創造出高度穩定的MOF-5，這是金屬有機框架發展史上的又一個里程碑。MOF-5是一種在該領域被視為經典的材料——分子結構寬敞而穩定，即使在完全空置的狀態下加熱至300°C，也不會坍塌。

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

在21世紀初，Yaghi證實了制造整個MOF材料族的可行性。他改變了分子鏈，從而產生了具有不同性質的材料。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， 化學家們已構建出數以萬計的不同MOF。其中一些有望幫助人類解決重大挑戰，例如從水中分離PFAS、分解環境中藥物殘留、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）

一些科學家認為，金屬有機框架具有如此巨大的潛力，以至于它將成為二十一世紀的代表性材料。未來如何，尚待時間檢驗。但可以肯定的是，正因為Kitagawa、Robson和Yaghi的努力，化學家們如今擁有了全新的途徑去解決人類面臨的諸多難題。他們的工作，正如諾貝爾在遺囑中所寫的那樣——為人類帶來了最大的福祉。

#參考來源：

https://www.nobelprize.org

#圖片來源：

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