科普| 为分子造房屋：三位分子建筑师与金属有机框架材料（MOFs）的诞生

编者语：

“金属有机框架（MOFs）已经拿下诺奖，生物质、光催化、单原子、COF呢？”

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引言

2025年诺贝尔化学奖授予了三位开创性的科学家：Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi。他们的获奖理由是“开发了金属有机框架材料”。这项被誉为“为分子造屋”的突破性技术，不仅重新定义了化学合成的边界，更为我们面临的一系列全球性挑战——从水资源短缺到环境污染——提供了极具潜力的解决方案。

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灵感萌芽：从木球模型到分子建筑蓝图

任何伟大的科学革命往往始于一个简单的洞察。1974年，在澳大利亚墨尔本大学，Richard Robson教授在为学生准备分子模型时，需要在一批木球上钻孔以插入代表化学键的木棍。他意识到，孔洞的位置并非随意，而是严格遵循着每个原子固有的成键规律。正是这些“孔洞信息”决定了分子最终的三维结构。

这一发现引发了一个更宏大的设想：能否利用原子这种内在的“连接倾向”，不是去连接单个原子，而是去连接更复杂的分子“构件”，从而搭建出全新的、宏观的分子建筑？这个想法在他脑海中萦绕了十余年，最终在1989年结出硕果。受金刚石中每个碳原子连接四个其他原子的金字塔形结构启发，Robson使用带正电的铜离子（Cu⁺）作为“节点”，与一个拥有四个腈基“手臂”的有机分子“连接体”进行组装。

图1. 基于CuⅠ和4’,4″,4‴,4⁗-四氰基四苯基甲烷)的3D菱形骨架

结果出乎当时大多数化学家的预料，这些组件并没有混乱地堆砌，而是基于相互间的精确吸引力，自发地排列成一个有序的、具有规则空腔的晶体结构。这标志着第一个金属有机框架的雏形诞生（J. Am. Chem. Soc., 1989, 111, 5962-5964; J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 1546-1554.）。Robson在他的开创性论文中预言，这种理性设计材料的方法，将能够创造出具有前所未有性能的新物质。他不仅展示了结构，还证明了物质可以在这些空腔中流入和流出，为后续的功能应用奠定了最初的理论与实践基础。

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坚韧求索：“无用之用”与稳定性突破

Robson的构想虽然美妙，但其早期材料稳定性不佳，容易被破坏，使得许多同行对其实际用途持怀疑态度。正是在这个充满不确定性的领域，日本的Susumu Kitagawa教授展现了非凡的远见。他信奉中国古代哲学家庄子的“无用之用”，认为即使眼前看不到直接效益的探索，也可能蕴含深远价值。

尽管研究资助机构普遍不看好这种“不稳定且无目的”的材料，Kitagawa仍坚持不辍。1997年，他的团队取得了关键突破，利用钴、镍或锌离子与有机分子4,4’-联吡啶，成功构建了第一个稳定的、具有三维开放通道的MOF（Angew. Chem. Int. Ed.，1997, 36, 1725-1727.）。即使将其中的水分子完全移除，框架依然保持稳定，并且能够可逆地吸附甲烷、氮气等气体。这一成果证明了MOF可以像沸石一样坚固且功能化，但潜力远不止于此。

图2. 基于CoⅡ、4,4'-联吡啶和硝酸盐的“榫槽”结构

为了明确MOF的独特价值，Kitagawa在1998年进一步提出了其核心优势：MOFs的构成单元（金属节点和有机连接体）几乎可以无限组合，这意味着其孔洞大小、形状和化学环境能够进行“精准定制”。更重要的是，他前瞻性地提出了“柔性MOF”的概念——这些材料的建筑单元本身具有一定柔性（Bull. Chem. Soc. Jpn., 1998, 71, 1739-1753.），使得整个框架能够像肺部呼吸一样，在吸附或释放分子时发生可逆的形变，从而实现对特定分子的智能识别与响应。

图3. 灵活的框架可根据客人的增加/移除或受到刺激而发生结构变化

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登峰造极：命名的确立与性能的飞跃

当Kitagawa在东半球深化MOF的内在与功能时，Omar Yaghi在西半球正致力于将其系统化并推向极致。Yaghi的童年充满挑战，在约旦安曼的艰苦环境中，一次偶然的图书馆经历让他被化学分子结构图深深吸引，最终走上化学研究之路。他对传统化学合成中副产物多、不可控性强的现状感到不满，立志像搭乐高积木一样，通过理性设计来构建晶体材料。

1995年，他的团队成功合成了由铜或钴离子支撑的二维网状结构，其中一种材料即使孔洞被客分子填满，也能承受350 °C的高温而不坍塌（Nature, 1995, 378, 703-706.）。在这篇发表于《Nature》杂志的论文中，他首次正式提出了“金属有机框架”这一术语，该名称沿用至今，成为了这一领域的旗帜。

图4. CoC6H3(COOH1/3)3(NC5H5)2·2/3NC5H5

1999年，Yaghi带来了更令人惊叹的杰作——MOF-5（Nature, 1999, 402, 276-279.）。这是一种结构极其稳定、内部空间巨大的立方体框架。其最引人注目的特性在于“比表面积”：仅仅一茶匙的MOF-5材料，其内部表面积展开后足以覆盖一个足球场。这一空前的特性使得MOF在气体储存方面展现出巨大潜力，其性能远超传统的多孔材料如沸石。

图5. 标志性框架MOF-5（Zn4O(BDC)3），表示二级构建单元（左）和大腔体（黄色，右）

在21世纪初，他通过系统性地改变有机连接体的长度和结构，成功制备出包括16种变体在内的MOF-5“家族”，实现了对孔洞尺寸的精准调控（Science, 2002, 295, 469-472.）。这标志着MOF从个别材料的发现，进入了可以按需设计的“材料基因组”时代。他的团队更是将MOF应用于解决现实问题，例如使用名为MOF-303的材料，通过在夜间从沙漠空气中捕获水蒸气、在日间利用阳光加热释放的方式，成功“从空气中取水”，展示了其改变人类生活的直接能力。

图6. 具有相同pcu拓扑/网络和相同SBU，但具有不同连接子和腔体体积的同网状框架

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改变世界：MOFs的应用与未来展望

在三位获奖者奠定的坚实基础上，全球研究人员已开发出数万种功能各异的MOF，形成了一个巨大的“分子工具包”。其应用触角已延伸至众多关键领域：

（1）环境修复：CALF-20正于加拿大进行中试，用于捕获工厂排放的二氧化碳；UIO-67能高效吸附水体中的永久性污染物PFAS；ZIF-8可用于从废水中回收稀土元素。

（2）能源与安全：NU-1501能在常压下安全地储存和释放氢能，解决了高压储氢的爆炸风险；某些MOF能安全封装半导体制造所需的剧毒气体，或分解类似化学武器的有毒物质。

（3）民生与健康：除了空气取水，MIL-101等MOF能催化降解水中的原油和抗生素污染物，也有望用于药物的靶向输送。

图7. 骨架结构示例：MOF-303已用于从低湿度空气中吸附水分； MIL-101具有大空腔，已用于催化以及H2和CO2的储存；UiO-67已用于从水中吸收PFAS；ZIF-8已评估用于从废水中开采稀土金属；CALF-20可以捕获CO2；NU-1501已被开发用于储存H2。

（Sci. Adv., 2018, 4, eaat3198; Science, 2005, 309, 2040-2042; Chem. Commun., 2008, 35, 4192-4194; Mater. Adv., 2021, 2, 7308-7335; J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 13850-13851; Mater. Lett., 2019, 250, 92-95; Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 1557-1559; Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2006, 103, 10186-10191; Microporous Mesoporous Mater., 2019, 278, 175-184; Science, 2020, 368, 297-303.）

截至2025年，已有超过5000家机构活跃在这一赛道，绘制出一幅覆盖40多个品类的广阔应用蓝图。更深刻的变革在于生产端，企业通过创新的无溶剂合成路径，实现了千吨级的规模化生产，使成本下降高达80%，为MOF的大规模普及扫清了最大障碍。

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结语

Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar Yaghi三位教授的工作，将化学从传统的分子创造，推进到了宏观分子空间的构筑与功能定制。他们教会我们如何利用分子的内在规律，为其建造精密的“房屋”和“仓库”。这些结构多样、功能强大的多孔材料，正为人类带来“最大的利益”。

本文二创自诺奖官网（www.nobelprize.org）文件：

Popular science background: They have created new rooms for chemistry
Scientific background to the Nobel Prize in Chemistry 2025

MOFs材料发展史

漂亮的MOFs材料图

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