诺奖得主奥马尔·亚吉说：化学与做菜有相通之处……

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人类文明常以材料命名时代。比如教科书里描绘的遥远的石器时代和青铜时代，又如当前以计算机和手机为标志的硅时代。未来时代将由何种材料定义？

2025年诺贝尔化学奖得主奥马尔·亚吉(Omar Yaghi)认为，金属有机框架材料——或称MOFs——有望开创下一个材料时代。亚吉等人在1990年代领衔MOFs的研发工作，贡献了革命性的合成方法，并因此荣获诺奖。（参见）

MOFs还有个好兄弟COFs，即共价有机框架。二者均属晶体材料，而它们最独特之处在于：作为晶体，竟有着惊人的孔隙率。

1999年，亚吉团队合成的锌基材料MOF-5引起轰动。这种布满孔隙的材料只需达到区区几克，其内表面积就堪比足球场。

过去几十年间，亚吉一直引领着新型MOFs和COFs材料的研究前沿。这一化学新分支被学界称为“网格/网状化学”(reticular chemistry)，不断拓展材料的应用边界。

MOFs和COFs丰富的内部孔隙可吸附其他分子，从而实现神奇功用，比如从沙漠空气里收集水、从水里提取污染物、捕获二氧化碳以及储存氢气等。

近期，亚吉教授接受《新科学家》（

New scientist

Q：您为何会对金属有机框架材料产生兴趣，会选择进入网格化学领域？

A：

我们刚开始研究MOFs时，并未设想能用它解决某个大问题、取得某种大突破，只将其视为一项纯粹的智力挑战：能否做到像搭积木、砌砖房那般逐个分子地构筑材料？这确实是化学领域极具挑战性的课题之一。当时许多人坚信这条路行不通，认为投入研究只是徒劳。

Q：为什么最初大家认为MOFs材料是不可设计的？

A：

通常情况下，当你把制备材料所需的化学单元混到一起后，它们的连接组合方式无法如你所想，而是混乱无序、难以表征的。这当然符合物理定律所告诉我们的：大自然总是趋于熵增和无序。

而我们的目标是晶体，是具有重复周期性结构的有序物质。打个比方，大自然结晶钻石的过程长达十亿年，我们却试图一天之内就完成它。不过我始终相信，只要掌握对的方法，任何物质都可结晶。

金属有机框架材料由碳基有机连接体和金属原子构成；它们相互连接，形成具有庞大内部空腔网络的晶体结构。通过改变连接体与金属的种类，可以调整空腔的特性，使其适用于储存包括二氧化碳和水蒸气在内的多种不同气体。

Q：您的直觉后来被证明是正确的。1999年，您与团队在《自然》杂志撰文报告了MOF-5的合成工作，及其展现的前所未见的稳定性。彼时您是否预料到这类材料最终带来实用价值？

A：

那时候我们发现了一种可用于合成稳定MOFs的溶剂，并逐步理解了其作用机理。我们意识到，在合成MOFs的过程中，这种溶剂分子进入反应体系后，对调控无序倾向具有关键作用。后来，世界各地的研究人员采用了类似方法。

起初，我只是为制备出美丽晶体而兴奋；随着观察到其卓越特性，大家开始思考：“能用它用来做些什么？”

首先，MOFs晶体具有极高孔隙率，由此“气体吸附”必有前途。这些材料内有空间微腔，恰好能容纳H₂O、CO₂之类的分子。(如前文所述，内部空腔虽是微纳级别的，但其提供的内表面积相较材料本身规格可谓巨大。)

Q：能否谈谈如今您制备这类材料的思路？

A：

我的烹饪理念是只用健康食材、以最少步骤做出美味佳肴。其实做化学与做菜有相通之处：我力求简化材料制备流程，只用到真正必需的化学原料。

首先，选定材料的骨架。其次，确定材料孔隙的尺寸。此外，不妨在骨架结构上进行化学修饰，添加特定分子。这么做的目的关系到最后一步，即让二氧化碳之类的目标物被吸附至材料内含的空腔。(化学修饰有助于吸附。)在我看来，整个过程简洁而又精妙。

Q：关于MOFs和COFs的研究让您探索了哪些新技术？

A：

一旦掌握从分子层面设计材料的方法，那就是根本性的变革。从分子走向社会——这是我个人的理想，也是我在2020年创立的Atoco公司的愿景。

我们想瞄准那些目前缺乏适用材料或所有材料效能不佳的领域，以所谓的“理性设计”方式从分子层面构建更优质的材料。材料制备技术的进步，会带动社会标准的提升。

2024年，我们公布了迄今最优的碳捕获材料COF-999。COF-999能捕集空气里的二氧化碳，接受了我们在加州大学伯克利分校进行的超百次捕集与释放循环测试。Atoco计划利用COF-999等网格材料，构建适用于从工业场景到住宅建筑的碳捕获模块。

我们还开发出能每日从大气捕获数千升水的材料。以此为基础制造的设备，即使身处美国内华达沙漠这般湿度低于20%的极端环境，仍能提取水蒸气。我认为大气集水技术将在10年内发展为日常科技。

金属有机框架材料为晶体结构，其内部布满微孔

Q：现有其他技术也能捕获水和二氧化碳，MOFs与COFs对比它们有何优势？

A：

我们对材料的化学过程有着高度控制，因此相关设备能以可持续方式制造。这些设备将稳定运行许多年，其中的MOFs部件达到使用寿命终点后，可通过水完全分解，确保不会有MOFs泄漏至环境。因此，即使未来MOFs材料实现多吨级规模的生产并广泛应用于各领域，我们也不会面临“MOFs废弃物难题”。

基于MOFs的设备还拥有更理想的能效。举例来说，利用环境太阳光驱动MOFs集水装置释放水分，显然是相当节能的工作模式，而这种模式的核心技术已被我们掌握。另外，针对碳捕获装置，可利用工业流程中的废热来释放捕集到的二氧化碳，这使其相比其他竞争方案更具经济性和可持续性。

但不可否认，当前我们仍面临诸多挑战。挑战来自规模化生产的难点，来自怎样提升材料的化学稳定性，也来自如何精准控制材料释放已吸附分子的时间与方式。

举个例子，我们已能实现吨级MOFs的生产，但COFs材料尚无法达到同等规模。预计未来几年内，我们将突破瓶颈。再以集水技术为例，材料对水分的吸附强度过大或过小都不好，需要精准调控。

我们现在正运用AI智能体优化MOFs和COFs的设计，力求提高开发效率。

通常来说，创建基础MOFs或COFs材料并不困难，但要想获得具备特定优化性能的材料，研发过程可能耗时一年。若AI智能体加速进程，那将带来革命性变化。我曾面对面地鼓励实验室里所有人尝试大语言模型工具。值得一提的是，目前我们开发部分新型MOFs的效率已翻倍提升。

Q：您认为网格化学有哪些应用前景值得期待？

A：

如今网格化学已是个宏大领域，化学家身处其中，探索热情堪比糖果店里的孩子们。想想，数以百万计的新型MOFs等着我们开发……

一个诱人方向是让MOFs模拟酶的催化功能，用于加速化学反应，为药物开发等工作提供合成助力。我们已研制出可实现酶功能的MOFs材料，且其使用寿命和稳定性远胜天然酶。未来10年左右，MOFs材料有望带来令人惊喜的生物应用。

我认为另一项突破性应用场景将来自“多变量材料”(multivariate materials)。这个研究方向目前鲜少为人关注，仅有我的实验室开展相关工作。我们理想中的“多变量”MOFs并非通体一致的结构，其内部环境呈现显著差异。

怎样实现？我们会选择不同化合物“修饰”不同的模块并将它们组合起来，从而在材料内部构建差异极大的微环境，引导特定分子执行特定功能。实验证明，此类材料能实现更精准高效的气体选择性吸附。

在我看来，这代表着化学家思维模式的转变。传统化学研究习惯制备均质材料，而我们追求的是高度有序的骨架结构结合高度异质性的内部环境。

Q：是什么让您对MOFs和COFs的未来充满信心？

A：

关于金属有机框架和共价有机框架材料，当前我们也只是略窥其门径，不过创新的思路从未止步。自1990年代以来，网格化学领域持续扩展，研究热度始终高涨。如果观察MOFs与COFs相关专利的增长曲线，你会发现它们呈指数级上升趋势。

这项工作的美妙之处在于，它将有机化学与无机化学相融汇，眼下更是结合了工程学和人工智能。它已超越传统化学，代表真正的科学前沿。

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