30年前被評審嫌棄“無用”的材料，如今贏得諾貝爾化學獎 | 附專家解讀

當地時間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-有機框架的發展”。

三位獲獎者創造了一種具有巨大空間的分子結構，使氣體和其他化學物質能夠在其中流動。這些結構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。

三位獲獎者發展出一種全新的分子結構架構形式。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構。這種多孔材料被稱為金屬有機框架（MOF）。通過改變 MOF 所采用的構筑單元，化學家可以定向設計出能夠捕獲和儲存特定物質的材料。MOF 還可以驅動化學反應或導電。

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。”在三位得主的奠基性發現之后，化學家們已經構筑出數以萬計不同類型的 MOF。其中一些材料有望為人類解決重大挑戰提供助力，其應用包括：從水中分離全 氟和多氟烷基物質（PFAS），分解環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構（即 MOF 材料）。對于我們能源領域而言，MOF 最大的應用價值體現在其作為碳材料和摻雜碳材料的理想模板。MOF 材料組裝成的結構，在惰性氣氛下經過高溫“燒結”（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，其結構會發生定向塌陷。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）等領域展現出獨特的應用優勢。”

“總結而言， MOF 材料的獲獎意義在于其在吸附分離領域中發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。”

獲獎者簡介

他們的分子結構中，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

他們為化學開辟了新的疆域

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 ），以表彰他們創造了一種新的分子結構類型——“金屬-有機框架”（metal-organic frameworks，MOF）。這種結構內部具有可供分子進出的巨大空腔，利用這種結構，研究人員已經實現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。”同類型的其他結構可能會被描述為“為捕獲二氧化碳量身打造”“為分離PFAs（全氟和多氟烷基物質）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結構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·亞吉首創了MOF這種結構并揭示了其應用潛力，因而被授予2025年諾貝爾化學獎。基于他們的工作，全球化學家如今已設計出數萬種功能各異的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的思維——這一次，靈感迸發于一節尋常化學課的備課過程，當時師生們正用球棍模型搭建分子結構，而獲獎者卻從中窺見了分子建筑學的全新可能。

一個簡單的木質模型，催生了一個重大發現

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，供學生構建分子結構。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，意識到這些孔洞的排布方式蘊含著極為豐富的化學信息——由于孔位精確體現了原子成鍵規律，模型分子自然呈現出正確的三維構型。這一發現催生出更宏大的構想：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），是否能夠創造出全新類型的分子結構？

構筑創新性的化學結構

年復一年，當羅布森取出這些木制模型給學生上課時，相同的構想總會浮現于腦海。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構的啟發。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），這個分子結構非常簡單，羅布森就從這個簡明的模型入手。他的目標是構建類似結構，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合——其實你無須記住這個復雜名稱，你只要知道這種結合的“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·羅布森受鉆石結構啟發（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。當這些物質結合時，它們自發形成了結構有序且擁有巨大空間的三維晶體。

當時多數化學家認為，銅離子與這種四臂分子結合只會形成雜亂無章的混合物。但結果卻驗證了羅布森的預想：正如他所推測的那樣，離子與分子間的內在引力主導了組裝過程，它們自發排列成宏觀的分子結構；而且與鉆石中碳原子的排列類似，它們形成了規整的晶體結構。但不同于鉆石的是，這種晶體內部并非致密，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”

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

通過系列實驗，羅布森證明了理性設計能夠構建具有寬敞內腔的晶體，并實現針對特定化學分子的優化適配。他前瞻性地指出，這種新型分子結構經過精準設計后，或將用于催化化學反應。

盡管羅布森的初期構造物穩定性欠佳，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年取得突破性發現的北川進與奧馬爾·亞吉，現在，讓我們將目光轉向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，終將顯現其價值。

因此當北川進開始探索多孔分子結構的潛力時，他并不認為這些結構必須具備特定用途。1992年他首次展示的分子構造確實實用性有限：這種二維材料內部存在空腔，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。

北川進希望繼續探索這項新型構造技術，但申請科研經費時，資助方認為他的目標缺乏實質意義。由于所創材料不穩定且無實際用途，他的多數提案遭到拒絕。

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構不會受到影響

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′-聯吡啶的分子，創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。

北川進洞察到其創造物的獨特性

盡管北川進的構造體兼具穩定性與功能性，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成的沸石——這種穩定多孔材料本可實現氣體吸附，為何還要開發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構。如今已有眾多柔性MOF材料能隨物質填充或排出而改變形態

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的多重優勢：例如可由多種分子構建，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構的沸石，MOFs由柔性分子單元構成（圖4），能形成可塑性材料。

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

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構。

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，但他發現傳統構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置于容器中混合，再加熱容器引發化學反應。目標分子雖能形成，卻常伴隨大量雜質副產物。

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，構建大型晶體。這一設想充滿挑戰，但當研究團隊開始將金屬離子與有機分子結合時，最終取得了突破。1995年，亞吉發表了兩種不同二維材料的結構——它們如同由銅或鈷元素連接的網狀結構。其中后者可在其空間內容納客體分子，當空間完全填滿時，其穩定性極高，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）分子構成的、具有潛在空腔的延展有序分子結構。

奧馬爾·亞吉所設計的MOF材料僅需數克即可容納一個足球場的面積

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

更令人驚訝的是，它內部立方空腔所隱藏的巨大表面積。僅僅幾克 MOF-5 的內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構。僅僅幾年后，研究人員就成功開發出“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，兼具可變性與穩定性。

圖5. 1999年奧馬爾·亞吉構建的MOF-5具有立方空間結構及卓越穩定性，數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·亞吉研究團隊實現從沙漠空氣中提取飲用水

2002至2003年間，奧馬爾·亞吉通過發表于《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水。

圖6. 二十一世紀初，奧馬爾·亞吉證實可構建系列化MOF材料。通過調控分子連接體，成功獲得具備不同性質的材料，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，研究人員已開發出多種功能化的 MOF 材料。雖然目前大多仍處于小規模應用階段，但許多公司已開始投資其規模化生產與商業化，部分領域已取得實質性進展。例如電子工業已利用 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的有害氣體；多家公司正在測試可從工廠與發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具有巨型空腔結構，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，在水體凈化與污染物去除領域展現應用前景；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經優化可實現常壓條件下的氫氣儲釋。氫能雖可作為車輛燃料，但常規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·亞吉的開創性工作已為化學家們應對現實挑戰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/

本文轉載自《返樸》微信公眾號

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