让积木自动变成房子，从沙漠中变出水，2025化学诺奖的金属有机框架有多神？

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2025年的诺贝尔化学奖，授予了三位杰出的科学家：来自日本京都大学的北川进（Susumu Kitagawa）、澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森（Richard Robson）以及美国加州大学伯克利分校的奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi）。

他们获奖的理由是“发展了金属有机框架（metal-organic frameworks，MOF）”，开创了一种全新的分子建筑学。

“金属有机框架”到底是什么？

这是一种由金属和有机分子构建而成的三维材料——简单说，它就像是化学家用“分子积木”拼搭成的迷你房子。在这种材料中，有许多小小的“房间”，每个“房间”都可以容纳某种分子。

这些积木零件依靠配位结合的作用固定到一起。它们的拼搭过程是自动进行的，这种过程被称为“自组装”，它就像是摇动一盒积木，然后积木自动就变成了城堡。

这种“积木房间”的拼搭十分自由，它是一种能够在分子尺度上任意设计的“超级材料”。只要更换零件，就能让小“房间”容纳各种截然不同的分子，由此产生广阔的应用潜力。

三位获奖者都做了什么？

理查德·罗布森：提出了大胆的设想

受到木质拼装分子模型的启发，1974年理查德·罗布森就产生了利用分子与离子之间固有的吸引力，让它们自动形成预先设计好的有序结构的设想。

在当时，这还是一个相当超前的想法。在大多数化学家看来，把一堆不同的分子和离子扔进烧瓶，得到的结果很可能只是一团乱麻而已。

直到1989年，罗布森终于将这个酝酿已久的想法付诸实践。他设计并合成了一种由一价铜离子和有机分子构成的骨架。这个结构与钻石类似，但内部却充满了许多空腔。

理查德·罗伯森受到钻石结构的启发，钻石中的每个碳原子都与其他四个碳原子连接成金字塔状。他将碳替换为铜离子和一个有四个臂的分子，每个臂的末端都有一个腈。这是一种能被铜离子吸引的化合物。当这些物质结合在一起时，它们形成了一种有序且空间非常充足的晶体。丨nobelprize.org

在1990年，罗布森紧接着进行了一个关键实验，证明了他的“分子房间”具有应用潜力。他证明“房间”中的物质可以进出和更换，同时整个框架结构保持不倒。

不过，此时他的“分子房间”依然太过脆弱，还不能真的投入使用。

北川进：创造了稳定的“房间”

“分子房间”太过脆弱、容易倒塌的问题，在北川进和奥马尔·亚吉的后续研究中得到了解决。

1997年，北川进迎来了第一个重大突破。他使用钴、镍或锌离子，搭配一种名为“4,4'-联吡啶”的有机分子，成功创造出一种三维的、稳定的金属有机框架。最关键的是，当他将材料中的水分烘干后，这个框架没有坍塌。它内部开放的通道，可以被各种气体（如甲烷、氮气和氧气）填充，并且能够可逆地吸收和释放这些气体，自身结构则完好无损。

1997年，北川进成功构建了一种金属有机框架，其内部布满开放的通道。这些通道可以填充不同类型的气体。材料可以在其结构不受影响的情况下释放这些气体。丨nobelprize.org

除此之外，北川进还提出了MOF材料不同于传统吸附材料的独特潜力。他提出，和传统的多孔材料沸石等不同，MOF新材料具有高度可设计性的优点，能够精确地定制孔洞大小、形状和功能。除此之外，这种新材料还可以制作成柔软的形态，因此有更多应用可能。

1998年，北川进提出金属有机框架可以实现柔性化。目前已有许多柔性金属有机框架，它们可以改变形状，例如它们被各种物质填充或清空时。丨nobelprize.org

奥马尔·亚吉：建立“网格化学”

1995年，亚吉发表了一篇里程碑式的论文。他用铜或钴离子与有机分子结合，也制造出了二维的网状结构。这种结构非常稳定，可以加热到350℃而不分解。正是在这篇论文中，他首次创造并使用了“金属有机框架（metal-organic framework）”这个名字，这个术语从此被沿用至今，定义了整个领域。

1999年，他向世界扔出了一颗“重磅炸弹”——一个名为MOF-5的材料。这种材料的稳定性和内部空间都非常惊人。

1999年，亚吉构建了一种非常稳定的材料：MOF-5。它具有立方体结构，只需几克就能占据一个足球场大小的面积。丨nobelprize.org

而他最伟大的成就，是为整个领域提供了一套系统性的设计哲学和建造方法论。亚吉巧妙地借鉴了传统沸石化学中的“次级结构单元”思想，并将其创造性地应用到这个全新的领域，最终发展出了一套完整的“分子建筑学”。

在21世纪初，亚吉在《科学》和《自然》等顶级期刊上连续发表文章，正式提出了“网格化学（Reticular Chemistry）”这一革命性概念。亚吉告诉全世界的化学家：我们完全可以告别“碰运气”了！我们可以通过理性设计，来精确地建造出我们想要的任何结构的MOFs。

21世纪初，亚吉证明了可以合成所有家族的金属有机框架材料。他改变了分子连接方式，获得了具有不同特性的材料；其中包括16种MOF-5变体，其空腔大小不一。丨nobelprize.org

金属有机框架如何改变世界？

通过设计不同的“积木房间”，让特定的化学分子“入住”其中，金属有机框架材料可以实现非常多种类的应用。

各种不同的MOF材料，它们可以被用于吸收PFAS、吸收二氧化碳、储存氢气、捕获水蒸气等。丨nobelprize.org

比如说，它可以从沙漠空气中“变出”饮用水。

亚吉的研究团队开发了一种名为MOF-303的材料。在湿度较低的夜晚，MOF-303会像海绵一样，自动从空气中捕捉稀薄的水蒸气分子，并将它们“锁”在自己的“分子房间”里。当第二天太阳升起，阳光加热材料，这些被捕获的水分子就会被释放出来，凝结成纯净的饮用水。这项技术为解决全球干旱地区的缺水问题带来了曙光。

另外一种名为CALF-20的MOF材料展现出了对二氧化碳超强的吸附能力和选择性。未来它有望用于碳捕捉，减少温室气体排放带来的气候变化问题。

MOF材料还可以用于结合氢气分子，解决这种气体清洁燃料难以安全储存和运输的问题。科学家们已经设计出像NU-1501这样的MOF，它能在常压下安全、高效地储存和释放大量氢气。这为氢燃料电池汽车的普及扫清了一大障碍。

而名叫UiO-67的MOF材料，则可以精准地从水中吸附污染物PFAS，为水净化和环境修复提供了强有力的工具。

MOF材料可以应用的领域还在不断扩张，它在催化剂、药物载体、农业等方面都有许多应用潜力。

信息来源：诺贝尔官网新闻稿

编译：果壳翻译班

稍后，果壳将为大家带来2025年诺贝尔化学奖的更多内容，敬请期待！

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