今年拿到诺奖的“分子房间”有多神奇？全球已开发成千上万种，还有更多在路上

10月8日，日本京都大学的北川进、澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森和美国加州大学伯克利分校的奥马尔·亚基，凭借“金属有机框架（MOF）研发”而共同获奖。

几克材料的内部表面积相当于一个足球场，能从沙漠空气中“榨”出水，可从空气中捕获二氧化碳……这就是MOF材料的神奇之处。诺贝尔化学委员会主席海纳·林克表示，金属有机框架具有巨大潜力，为开发具有新功能的定制材料带来了前所未有的机会。

MOF的概念自1995年正式提出至今，全球已有几万个研究组投身这一领域，已开发出成千上万种MOF，其应用包括去除水体中的“永久性污染物”、分解环境中的微量药物，在极端干旱地区从空气中提取可饮用水等。瑞典皇家科学院指出，三位获奖者的发现“为人类应对21世纪的重大科学与环境挑战提供了新的工具”。

定制“分子房间”实现神奇应用

用通俗的话来解释MOF，它是一种用金属和有机分子共同搭建的“房间”，不仅“房间”大小可以精确设计，从原子尺度到几十纳米，连“房间”内的环境“装修”也能根据需求度身定制——当这些房间连成一片、形成孔道，就能实现各种各样的应用，比如储氢、分离气体，甚至精细催化。

不过，MOF的诞生却颇费了一番周折。早在上世纪五六十年代，化学家就提出了配位聚合物的概念。直到1989年，在指导学生做分子模型时，罗布森冒出了一个灵感：能不能用原子和有机分子“棒”来搭建一个类似钻石（相邻碳原子形成一个小金字塔）的晶体“分子笼”？由此，他合成出了一个空间有序、宽敞，还能进行设计和修改的晶体“分子笼”。

罗布森立即意识到这个分子结构的潜力，但它还不太稳定，很容易坍塌。而北川进和亚基在1992年至2003年间分别取得一系列革命性发现，则为“加固”这类分子结构提供了坚实基础。

北川进总是“于无用中见有用”。1992年，他展示了一种二维材料，空腔中可隐藏丙酮分子。虽然看起来没啥用，却提示了一种构建分子的新思维方式。1997年，他的研究小组创制出了由开放通道交叉的三维金属有机框架，这些材料既稳定又有功能。

材料研发告别“试错式合成”

同在1992年，亚基在美国亚利桑那州立大学开始以“使用理性设计将不同化学成分连接起来”为目标，寻找更有控制性的材料构建方法——就像搭乐高积木一样，制造大晶体。1995年，他在《自然》杂志上发表论文，正式提出MOF的基本概念。

1999年，他向世界展示了MOF-5，在世界上掀起了第一次MOF研究热潮。这是一种异常宽敞和稳定的分子构造。即使在空的状态下，也可被加热到300℃而不会坍塌。而且，几克MOF-5就能容纳一个足球场大的面积，这意味着它可以比沸石吸收更多的气体。

“人们第一次发现，可以让多动的分子如同蜜蜂归巢般‘住’进房间。”亚基的中国学生、北京理工大学教授王博告诉记者，MOF的诞生与发展，使材料开发告别“试错式合成”的时代，就好像盖楼前可以画设计图，材料也可以被精确计算和设计。因此，这三位科学家获得诺贝尔化学奖可谓实至名归。

事实上，MOF所开启的材料学革命，还在不断深入与延展。后来，亚基又首创了“网格化学”的概念，以大型分子或拓展型结构为基础，不仅提供了在分子层次之上控制物质的手段，还提供了可进一步操控分子的空旷空间。

“MOF为新材料研发开启了无尽的可能性。”王博介绍，现在化学家已经可以将化学元素周期表上所有的金属都用于MOF，包括常见的有机单体、一些柔性单体，都可用于搭建MOF。

目前，王博的实验室还在尝试将MOF用于分子仿生框架，开发仿生离子通道，“如果可以做出薄膜，其传输效率将大幅提高，有望实现工业级应用”。

热爱是科研的无尽动力

得知导师得奖，王博第一时间给亚基发了祝贺邮件。“他是一位纯粹的科学家，至今未婚，人生的全部热情与乐趣就在于化学。”自从2000年在密歇根大学师从亚基，王博从未见过对科研如此痴迷的人。

出生于约旦的亚基，从小与许多兄弟姐妹挤在一个单间，没有电，也没自来水。10岁时，他偷偷溜进通常锁着的学校图书馆，随机从书架上抽了一本书。打开书时，他被那些看不懂但迷人的图片所吸引——这是他第一次接触分子结构。

11岁来到美国时，亚基甚至英语也不太流利，可15岁时他已经顺利进入大学，24岁就拿到了博士学位。在王博看来，亚基就是一位天才，平时却无比勤奋，“他几乎没有什么社交和娱乐，每天6点多就到办公室开始工作”。

王博（左）与北川进（中）、亚基（右）合影（王博提供）

有一次，亚基与王博讨论一篇论文到深夜。当晚凌晨1点，亚基想到一个好主意，立刻打电话给王博，要他来办公室讨论，在王博“想先睡一觉”的坚持下，亚基答应他早上7点再讨论。结果第二天一直讨论到下午5点，“他热情上来时，真的可以不吃饭、不睡觉地做研究”。

王博透露，北川进和亚基其实可以算是师兄弟，两人很早就开始一起合作，而且都很喜欢中国。“他们经常来中国访学，亚基的实验室有很多中国学生，他觉得中国学生动手能力强，富有创造力，他的实验室有不少重要MOF分子都出自中国学生之手。”

亚基在学术会议上致谢中国学生（王博提供）

今年5月到7月，亚基两次来中国进行学术交流。实际上，中国学者在MOF的理论和应用研究领域都作出了杰出贡献。

北川进是一位温和儒雅的学者，他曾以性格温和的雷龙自喻，认为自己如同粘结剂，将这个领域科学家团结起来。