一場材料學革命的起點會是什么樣子？他在給學生上課時…| 2025年諾貝爾化學獎揭曉

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2025年10月8日，瑞典皇家科學院將諾貝爾化學獎授予北川進（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）和奧馬爾·M·亞吉（Omar M. Yaghi），以表彰他們在“開發金屬-有機框架方面”的奠基性工作。

三位獲獎者締造了一種令人驚嘆的“分子建筑”，即金屬-有機框架（metal-organic frameworks，簡稱MOFs）結構——具有巨大的空腔，允許氣體或其他化學物質分子出入其間。MOFs結構已被用于從沙漠空氣中收集水、從水里提取污染物、捕獲二氧化碳以及儲存氫氣等。

金屬-有機框架提供了一種搭積木式的材料設計范式，使研究者能通過選擇不同金屬和有機配體，自主“定制”具有特定功能、面向專門任務的材料。MOFs材料主打“極高孔隙度”和“化學結構可調控”的特色，可在諸多領域實現創新應用，例如用作智能藥物載體、骨再生支架或綠色催化劑。

怎樣利用有限的空間合理收納盡可能多的東西？這是我們每個人每天都要面對的問題。今年的三位諾貝爾化學獎得主就設計、開發、完善了一套巨能裝的結構——有機金屬框架MOFs，可以容納無數分子，比如水、氫氣、二氧化碳，等等。

你平時是怎么做收納的？相信不少觀眾和我一樣，會整點衣架、掛鉤、鞋柜啥的，把各種物件分門別類地歸置好。從科學的角度看，這么做就像是在確定的總空間內增加了可以“吸附”物件的置物面積，提高了比表面積。

有很多材料，別看它小小一塊，卻因為比表面積大，巨能裝。大家最熟悉的大概就是活性炭了，除個冰箱異味、腳氣或是凈水啥的，效果還是不錯的。為啥？因為活性炭有很多孔，所以比表面積很大，能吸附很多分子。但活性炭的孔徑大小不一，大大小小的分子一股腦全吸附了，選擇性差，所以在高精尖領域應用有限。

有沒有可以調節孔徑大小從而做到想裝什么分子就裝什么分子的材料？有的，這就是我們今天的主角MOFs。

化學課上經常用到一種展示分子結構的球棍模型，就是用代表化學鍵的小木棍把代表各種原子的各色小球連起來。今年諾貝爾化學獎得主之一理查德·羅布森在用這套模型給學生上課的時候就想到，如果不是原子連原子，而是用分子連原子，會怎么樣？

于是，1980年代，他就參考鉆石晶胞的正四面體結構，嘗試用一種帶四條臂的有機分子連接4個銅離子。當時的大部分化學家覺得這么做不會有什么結果，只會散落一地離子和分子。然而，羅布森成功了，這種有機分子和銅離子自發形成了一個巨大的分子結構，構成了像鉆石一樣的晶體，但不同的是，這種晶體內部有很多、很大的孔。

羅布森當時就敏銳地察覺這種結構大有可為，并在1989年發表了這個成果。這便是最早的MOF，只不過當時還沒有這個名字。

后來，羅布森又開發了幾種類似的分子，成功是成功了，但很脆弱，容易散架。就像是咱們用樂高積木搭出的車子啥的，樣子沒問題，功能完全無法實現，甚至碰壞了還要賠。

時間來到1990年代，又一位拿到諾獎的日本科學家北川進利用鈷、鎳、鋅等金屬離子和一種有機分子創造出了具有開放通道的三維金屬有機框架。這種結構就相當穩定了，而且確實有功能：可以吸收、釋放甲烷、氮氣、氧氣。但仍舊沒有引起業界的多大興趣。為什么？因為在吸收分子的多孔材料這條賽道上早就有了一位老大哥——沸石。

早在1756年，瑞典礦物學家就發現了一種灼燒時會沸騰的石頭，因而命名為沸石。之后，科學家又陸續發現了各種天然沸石并且發現了這種礦物具有很好的吸附作用。到了20世紀中葉，科學家又實現了人工合成沸石用作干燥劑、凈化劑以及石油煉化的催化劑等，開發了各種功能，完成了沸石從礦物到多功能強大材料的轉變。

北川進此時拿出的MOF功能與沸石高度重合，性能還大大不如，當然沒啥人看得上了。意識到這點后，北川進又開發出了柔性MOF，相比剛性沸石，有了產品獨特性。這種柔性MOF充滿水、甲烷等分子時形狀會改變，排空后又會復原，在保證穩定性的同時又提供了可塑性。

北川進忙著開發MOF的時候，約旦裔美籍科學家奧馬爾·M·亞吉也在1995年開發出了加熱到350℃也不會坍塌的穩定金屬有機結構，并且首次響亮地喊出了“金屬有機框架”（MOF）這個名字。

1999年，亞吉又設計出了具有里程碑意義的MOF-5，這種分子結構不但非常穩定，而且比表面積極大，幾克MOF-5的表面積就相當于一個足球場，比沸石還能裝！

還沒完，亞吉又在21世紀初制造了16種MOF-5的變體，通過修飾MOF-5，就能改變材料的孔徑大小，從而改變MOF-5可以存儲的目標分子。這樣一來，MOF材料便具備了高度的選擇性，只需要一點微調就能根據目標實現定制操作。

打個不一定最恰當的比方，MOF材料就相當于一類具有很強定制功能的收納平臺，掛個鉤子就能掛包包，開個柜子就能放鞋子，立根柱子就能掛衣帽。到了這里，MOF這個原本一碰就倒的樂高積木，不但解決了穩定性問題，更是一躍成為能夠滿足各種需求的高性能材料。

例如，在沙漠中集水，為環保事業捕獲工廠釋放的二氧化碳、有毒氣體，為人類能源存儲甲烷、氫氣等燃料。

雖然老大哥沸石仍舊在穩定性、規模化應用、成本等方面有優勢，但面對MOF這個后起之秀，不免要贊嘆一句：未來是你的。

可以說，MOF材料的天賦和潛力瞎眼可見，在許多科學家心中很早就預定了一座諾貝爾獎。比如我們去年采訪的2016年諾貝爾化學獎得主弗雷澤·斯托達特（Fraser Stoddart）在回答我們關于什么成就值得拿諾獎的提問時首推MOF。

回顧今年的三大諾貝爾自然科學獎，生理學或醫學獎頒給調節T細胞是個大冷門，物理學獎在量子力學百年之際頒給電路中的宏觀量子隧穿效應，總體算是意料之中，化學獎頒給MOFs可以說是眾望所歸了。另一方面，咱們前天剛說完日本在最近五六年拿諾獎勢頭放緩，今年就梅開二度，多少也是有點羨慕嫉妒。不過吶，咱們也不用著急，畢竟諾獎頒獎有滯后性，就像今年的三大工作都始于20世紀八九十年代。依咱們現在對科學技術的重視與投入，還怕日后無法實現MOF對沸石這樣的超車嗎？

附：《世界科學》王小科帶你趣味了解2025年諾貝爾物理學獎

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