关注2025诺奖|“分子建筑师的杰作”获得化学奖——从沙漠取水到捕获碳，这种新材料正在改变世界

10月8日，2025年度诺贝尔化学奖揭晓。今年化学奖授予北川进、理查德·罗布森和奥马尔·M·亚吉，获奖理由是“用于开发金属有机框架材料”。金属有机框架材料是什么？它对我们的世界带来了怎样的改变？记者邀请南京大学化学化工学院教授丁梦宁进行解读。

无中生有，分子建筑师的杰作

金属有机框架材料（MOF）到底是一种什么材料？为何会是诺奖级的突破？

“这是一种人工合成的材料，它的突破性，在于弥合了材料世界两大阵营的鸿沟。”丁梦宁科普道，在MOF出现之前，化学家的材料工具箱分为两大阵营，界限分明：一边是以碳原子为骨架的有机材料，柔韧易加工却难以形成规整孔道；另一边是结构有序的无机材料，坚硬稳定但种类有限，难以精准调控。

在过去，化学家们通常只是分别使用这两类材料，或者进行简单的物理混合。这就像一位建筑师，他要么用木头（有机）盖一座柔软的木屋，要么用砖石（无机）砌一座坚固的堡垒，但很难从分子层面将木头和砖石“化学键合”在一起，建造出一种兼具两者优点的全新建筑。

MOF用金属离子或金属团簇（来自无机世界）作为坚固的“关节”或“节点”，用有机连接分子（来自有机世界）作为定制的“连杆”或“支柱”，通过强大的配位键，像搭乐高积木一样，自下而上地组装成一个规整、稳定且内部充满空腔的三维框架结构。

丁梦宁表示，这种设计理念的革命性在于，它拥有了无机材料的“骨骼”：由金属节点构成的周期性框架，使MOF具备了晶体的刚性和稳定性，能形成长期存在的规整孔道；同时，它注入了有机材料的“灵魂”——有机连接体的引入，带来了近乎无穷的设计自由度。通过改变“连杆”的长度、形状和化学基团，可以像定制家具一样，精准调控孔道的大小、形状和内部的化学环境。

正如诺贝尔奖委员会所强调的，三位获奖者的贡献不仅在于创造了一类新材料，更在于开创了一个全新的研究领域，为化学家提供了解决全球性挑战的强大工具。

从搭建分子模型到空气里“榨”水

在诺奖的颁奖词中提到，MOF从沙漠空气中收集水，这非常引人注目。而这一神奇应用背后，是三位化学家共同掀起的材料革命。

这项突破始于1989年，理查德·罗布森率先探索原子特性的创新应用。他创造性地将带正电的铜离子与四臂状分子结合，形成了结构规整、充满无数空腔的晶体结构，宛如有无数空腔的钻石。罗布森立即意识到这种分子构造的潜力，但其稳定性不足且易坍塌。随后，北川进与奥马尔·亚吉在1992至2003年间分别取得关键突破：北川证实这类材料可以吸附气体，并预言MOF可具备柔韧特性，验证并拓展了MOF的功能。而亚吉则成功建构出高度稳定、高比表面的框架材料，并通过理性设计赋予材料崭新特性。

“他是MOF概念的正式提出者，并在此基础上建立了“网状化学”的理论框架。”丁梦宁介绍。亚吉在1999年合成的MOF-5是一个革命性的突破，证明了这类材料可以同时具备高稳定性以及前所未有的高比表面积，就像一个内部被彻底掏空、布满了无数房间的摩天大楼，其内部表面积大得惊人（一克MOF-5的比表面积大约是3000平方米，相当于半个足球场的面积压缩到一克粉末里），这为大量吸附二氧化碳等小分子提供了物理基础。

亚吉后期致力于MOF的精准功能化。他通过对有机连接体和金属簇的精密设计，在MOF的孔道内壁“安装”了特定的亲水组分。这些基团与水分子产生恰到好处的相互作用——既能在夜晚牢牢抓住水分子，又不会抓得太紧，以至于白天仅靠阳光的热量就能让水分子“挣脱”并释放出来。“吸得饱”又“吐得出”，让MOF“沙漠取水”的梦想，从一篇论文走向沙特的示范项目。

从实验室到市场：MOF的挑战与机遇

这种由金属离子与有机分子编织而成的“纳米海绵”，凭借其破纪录的比表面积与孔隙结构，能像智能捕手般精准吸附气体、锁住水分、捕获污染物。从防潮鞋盒到新能源汽车的储氢罐，从冰箱除味剂到工业废气处理，MOF正悄然重塑我们与环境的互动方式。

丁梦宁指出，尽管MOF的大规模工业化合成已在技术上实现，但其从实验室迈向广泛日常应用的核心瓶颈，在于找到那个在性能与成本上能全面超越现有成熟技术的“杀手级应用”。由于MOF复杂的结构导致其成本略高于传统多孔材料，他认为，其产业化突破将更可能发生在一些高附加值领域。

基于获奖者的开创性工作，全球化学家已构建出数万种功能各异的MOF材料，其中许多有望助力解决人类面临的重大挑战。

目前，MOF研究在国内外都是一个高度活跃的热点领域。南京大学化学化工学院依托其配位化学全国重点实验室的深厚积累，为功能MOF材料的研究提供了坚实基础。上世纪八十年代，奥马尔·M·亚吉教授还是研究生的时候，曾经在配位化学国家重点实验室游效曾老师课题组学习过一段时间。游效曾院士课题组利用配合物构筑基块，首次组装了空间结构多样的三维配位聚合物和分子基型分子筛MOF材料。

近年来，南京大学左景林教授、袁帅教授等团队正专注于新型功能MOF材料（包括光电功能MOF材料、绿色催化MOF材料等）的合成。丁梦宁本人的研究是基于新型MOF半导体材料，设计并制造出高性能的微纳电子传感器件。在他看来，高端化学传感芯片，也高度契合我国在高端芯片领域寻求“弯道超车”的战略布局。

从罗布森的开创性工作算起，这场材料科学革命仅酝酿了36年。然而，MOF为化学家提供的这个“全新工具箱”，已然展现出驱动环境、健康与能源领域迈向变革的惊人潜力，成为解决特定问题的“王牌”。从赋能清洁能源的储氢罐，到守护生命健康的药物载体和传感芯片，这场由三位诺奖得主开创的“分子建筑”革命，正等待全球科学家共同构建更精彩的未来篇章。

扬子晚报/紫牛新闻记者 杨甜子

校对 胡妍璐