快速解读2025诺贝尔化学奖：螺蛳壳里建摩天大厦

获奖者公布

“诺贝尔周”进入了第三天，瑞典皇家科学院于当地时间 10 月 8 日宣布，将 2025年诺贝尔化学奖授予北川进(SusumuKitagawa)、理查德·罗布森(Richard Robson)和奥马尔·M·亚吉(Omar M.Yaghi)，以表彰他们“在金属有机框架领域的发展”。

图源：https://www.nobelprize.org/

获奖者将平分1100万瑞典克朗（约合836万元人民币）奖金。

图源：https://www.nobelprize.org/

什么是金属有机框架

金属有机框架（Metal-Organic Frameworks，简称MOFs）被誉为21世纪最具潜力的新材料之一，也是很多化学系学生并不陌生的词汇。我国有句老话叫“螺蛳壳里做道场”，形容在极小的空间里施展大本领。而MOFs的特点，就可以看成在分子尺度的“螺蛳壳”里建造功能强大的“摩天大厦”，以实现各种特定的功能。科学家们通过精妙的设计，在纳米尺度的空间里创造出了具有巨大内表面积和特定功能的材料体系。

MOFs的材料既有无机化学中的金属离子，也包含有机化学中的有机配体。金属离子和金属簇就像是“支柱”，而有机配体分子则可以看成是“横梁”，通过配位键的连接，就形成了具有高度有序的三维网络结构。

MOF合成过程示意图

在纳米级的尺度下，这个“螺蛳壳”里有着精巧的建筑群。内部充满了天文量级多的孔道，就像无数个房间，而每个房间的大小只有几个埃到几个纳米不等（1纳米等于10亿分之一米）。所以在宏观的视角下，虽然整个材料的体积微乎其微，但其内部空间的利用效率却达到了极致。

举个例子，如果把一粒米大小的MOF晶体比作一个螺蛳壳，那么这个“壳”里面的可用空间，展开后的面积可以达到一个网球场那么大！这种在微观世界里创造宏观空间的能力，正是MOFs最迷人的特性。仅仅1克MOF材料的内表面积就可以达到7000平方米以上，相当于一个标准足球场的面积。因此，MOF材料是目前地球上比表面积最大的材料，或许没有之一。

MOFs的出现，就像一位武林高手，不仅打通了无机化学和有机化学，这两门从大学就被分开的化学基础学科，更加开创了一个领域：网状化学（reticular chemistry）。所以当今年的诺贝尔化学奖回归化学本身，尽管不可能平复所有争议，但颁给研究MOFs的科学家，似乎也在情理之中。

无用之物亦可成大用

当然，像建造一个如此精密的“螺蛳壳”不是一朝一夕的事情。MOF材料从诞生到发展，大致可以分成三个时期，而此次诺奖的三位获奖者，正是不同阶段的三位“宗师”。

证明“螺蛳壳”可行（1974年-1990年初期）

就像无数科学故事一样，MOFs理论的出现，也是一次无聊中迸发出的灵感。

1974年，在澳大利亚墨尔本大学任教的理查德·罗布森（Richard Robson）正在准备化学课的教学具，当时学生们还要用棍子和小球来搭建分子模型。罗布森接到的任务是，要给木球上钻孔，以便搭建分子结构。

罗布森教授制作了大型木制晶体结构模型。图片：保罗·伯斯顿/墨尔

孔洞的位置并不是随意摆放的，而是在特定的位置。小球和棍子搭建好后，就能呈现特定的物质结构。就是在这个过程中，罗布森突然有了一个想法：我现在是用宏观的物体表现微观，那么微观的分子结构，能不能也按照我宏观的想法去搭建呢。能不能拿金属离子做小球，有机分子做木棍呢？

结构的不同，就能呈现出不同的化学性质，这样的情况在自然界再普通不过了。就比如钻石和石墨，都是由碳原子组成的，但正因为结构不同，一个是自然界最坚硬的物质（并且昂贵），而另一个质地却非常软。但人为设计化学结构，并且需要把金属离子和有机分子结合，在当时确实需要大胆的想象力。

左边是钻石结构，这是最简单的实验结构。右边是铜I-四腈骨架具有

1990年，罗布森发表了一篇具有里程碑意义的论文首次系统地阐述了如何通过合理设计，让金属离子和有机分子自发组装成三维网络结构。如果说MOF领域是一个宏伟的建筑群，那么罗布森就是绘制第一张蓝图的建筑师。他的工作就像是告诉人们：我们不仅可以在宏观世界建造摩天大楼，还可以在分子级的“螺蛳壳”里创造同样精妙的建筑。罗布森不仅预见了这种可能性，还提出了具体的设计原则，为后来的科学家们指明了方向。

微观建筑界的贝聿铭（1990年代中后期-2000年）

沿着罗布森开创的道路，后来的科学家们尝试了制备MOFs的各种可能性。最为突出的科学家，正是奥马尔·M·亚吉（Omar M. Yaghi），他是一位出生在约旦，现为美国加州大学伯克利分校的教授。

1999年，亚吉的团队在《自然》杂志上发表了论文，成功结晶了金属有机结构MOF-5。科学家们终于在“螺蛳壳”里建成了坚固的“摩天大厦”，MOF-5就是第一座真正意义上的微观摩天大厦。这座“建筑”的内表面积超过3000平方米/克，在当时创造了世界纪录。

MOF-5 分子结构图wiki

不仅如此MOF-5还非常稳定，即使在加热300°C而不会坍塌。这就意味着MOFs不再是理论，而是可以成为实用的材料。当然亚吉不满足于建造单一的建筑，除了用金属和有机分子建造，亚吉还开创了纯有机材料建造的共价有机框架（COFs），进一步拓展了在“螺蛳壳”里建造的可能性。

在2014年，亚吉的研究小组展示了一项堪称“魔法”的实验：他们在亚利桑那州干燥的沙漠空气中收集到了水。在夜间，他们的MOF材料从空气中捕获水蒸气。当黎明来临，阳光加热材料时，液体水就出现了。因此称亚吉为“微观建筑界的贝聿铭”一点也不过分。

MOF吸收水分的原理图。V. Altounian/Science

“摩天大厦”还会呼吸（2000年代-至今）

如果说早期的MOFs像是在“螺蛳壳”里建造的固定建筑，那么京都大学的教授北川进开发的柔性MOFs，就像是可以伸缩变形的智能建筑。1997年，他首次报道了具有动态结构的MOF，这种材料可以根据“住户”（客体分子）的进出而改变自己的结构，就像是能够自动调整空间布局的智能大厦。

北川进曾展示过传统的催化物质沸石和MOF之间的差异。沸石就是一块不会动的石头，不会因为材料的浓度发生形状的改变。可是MOF在充满水或甲烷时，它会改变形状；当排空时，它又会恢复原状。这种像一个可以吸入和呼出气体的肺，既可变又稳定。

北川进非常推崇我国庄子的“无用之用”：世人皆知有用之用，而莫知无用之用也。而MOFs物质的特性，也多少带有一丝玄学的味道：它似乎看起来就像孔很多的海绵，但实际上在生产和生活的众多领域，MOFs都在发挥着巨大的价值。

“糖衣”能包炮弹，更能包含万物

多孔的MOFs材料，我们很容易就想到它能够作为催化剂或者吸附剂。这些微型的“摩天大厦”可以作为反应容器将催化剂固定在孔道内。反应物分子进入后，在特定的微环境下被高效、高选择性地转化为目标产物，能大幅提高化工生产的效率和减少污染。目前已经有科学团队，在尝试使用MOFs对CO₂分子进行捕获，而其他气体分子却可以自由通过。这样就可以从工厂和发电站直接吸附CO₂，以减少温室气体排放。

目前MOFs材料研究的另外一个热门领域，就是把MOFs作为锂离子电池的电极材料，或者利用MOFs储存能量，它能够快速进行充放电，从而实现高功率输出。而在天然气存储方面，MOFs已经从实验室走向了实际应用。传统的天然气存储需要高压钢瓶，既危险又笨重。而使用MOFs，就像是在“螺蛳壳”里建造了无数个微型储气罐，可以在较低压力下存储同样多的天然气，大大提高了安全性。

理论上，MOFs材料甚至可以制作成危险的“糖衣炮弹”，用于储存或释放有毒气体以及放射性物质，它超强的储存能力，只需要微型的导弹就足以毁灭一座城市。当然，MOFs材料主要还是应用在分解化学毒剂和吸附有毒物质，有一些防毒面具和防护服已经采用了MOFs材料。

水处理和净化、氢气存储、太阳能转换、核废料处理、疾病诊断、药物制备、太空探索……MOFs几乎无所不能，“螺蛳壳里建摩天大厦”的理念体现了现代化学的精髓，在原子和分子水平上精确设计和构建功能材料。这种分子工程的思想不仅推动了材料科学的发展，也为其他科学领域提供了新的研究范式。而至于MOFs还能做什么，或许只取决于人类想让它做什么。

MOF部分应用领域

所以当今年诺贝尔化学奖回归化学本身，也是提醒着我们化学作为“中心科学”，在推动人类文明进步中始终扮演着不可替代的角色，新物质的创造和化学研究依旧有着重要的价值。

参考资料：

[1] The man who built a whole new field of chemistry. https://pursuit.unimelb.edu.au/articles/the-man-who-built-a-whole-new-field-of-chemistry

[2] Li, H., Eddaoudi, M., O'Keeffe, M. et al. Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework. Nature 402, 276–279 (1999). https://doi.org/10.1038/46248

[3] This new solar-powered device can pull water straight from the desert air. https://www.science.org/content/article/new-solar-powered-device-can-pull-water-straight-desert-air

[4] "Susumu Kitagawa". Angewandte Chemie International Edition. 48 (47): 8818–8820. 9 November 2009. doi:10.1002/anie.200904270.