一项诺奖成果，可能将改变你家的猫砂

3 克粉末，能有多大？

放在手里也就小小一撮，可如果把它内部的表面积全部展开，竟然足以覆盖整整一个足球场。

听起来是不是很不可思议，这不是天方夜谭，而是“超级材料”——金属有机框架（Metal-Organic Frameworks，简称MOFs）赋予的现实魔法。

2025 年，三位科学家奥马尔·M·亚基（Omar M. Yaghi）、北川进（Susumu Kitagawa）与理查德·罗布森（Richard Robson）因在MOFs 领域的奠基性贡献荣膺诺贝尔化学奖，也让这种原本只活跃在学术论文中的“明星材料”，逐渐走进大众视野。

2025 年诺贝尔化学奖授予金属有机框架（MOFs）材料的三位开创者

为什么一小撮粉末，能够“藏”下一个足球场？MOFs 究竟是种什么材料？又会给我们的生活带来哪些神奇的改变？

一切，都要从它独特的微观结构说起。

纳米世界里的“乐高宫殿”

如果我们将视角缩小到纳米级别，你会发现MOFs 并不是一块实心材料，而更像是一座由“积木”精密搭建的、充满房间和通道的宏伟宫殿。

搭建这座宫殿的“积木”只有两种：

一种是金属离子（或金属簇），它们就像乐高积木里的连接节点；另一种是有机配体，像梁柱一样，把这些节点连接起来。

更神奇的是，这个“拼接”过程不需要科学家自己亲自动手。他们只需要通过化学设计提前设计好“积木”的种类和结构，这些金属节点与有机配体便会通过一种叫做“配位键”的强力胶水自动组装、编织，最终形成具有周期性网格结构的晶体材料。

MOFs 材料的构筑原理与典型结构

这种结构奇妙地结合了无机金属节点的刚性与有机配体的柔性，构筑出能容纳巨量分子的纳米孔道和“分子房间”（有些甚至如迷宫般互通）。

这些“分子房间”，正是MOFs 的神奇之处。

它们虽然每个都小的微乎其微——直径只有零点几到几纳米，大约是头发丝直径的几万分之一，但数量却多得惊人——这也是为什么几克的MOFs粉末，能够“藏”下一个足球场的原因。

想象一下，一栋普通住宅也许只有十几个房间，可如果有人把它改造成一座拥有几百万、几千万个小房间的超级公寓，会发生什么？

房子的外观看起来几乎没有变化，但内部所有墙壁、地板和天花板加起来的总面积，却会成倍增长。

科学家把单位质量，也就是 1 克物质，所有表面的总面积称为比表面积。

目前，个别 MOFs 的比表面积已经超过每克 7000 平方米。

不过，MOFs 真正厉害的地方，不只是拥有巨大的比表面积，还在于它的“可定制性”。

科学家可以通过简单地更换“积木”的种类或改变“梁柱”的长短，精确调控孔洞的大小、形状和内部化学环境，让 MOFs 只“接纳”特定的“客人”分子。这意味着，MOFs 不仅能“装”东西，更知道该装什么、不该装什么。

MOFs 的日常应用

当 MOFs 的“容纳”与“捕获”能力走出实验室，进入到我们的生活中，会发生什么？

一个你肯定想不到的答案——猫砂。

MOFs猫砂样品示意图

想必大家都深有体会，咪虽然可爱，但咪的屎也是真臭。市面上的普通猫砂，更像一块海绵，只能把空气中的臭味分子暂时吸附进去。随着时间推移，这些分子又会慢慢释放出来，异味也就重新出现。

MOFs 提供了另一种思路。

如果说普通猫砂只是“吸住”臭味，那么 MOFs 更像是在空气中布下了一张精密的“网”。

它内部的纳米孔道不仅大小合适，还会优先吸附特定分子。当猫排泄物中的异味分子（如氨、粪臭素、尿酸）靠近时，它们更容易进入这些孔道，并与孔道内壁形成更强的相互作用，不容易再逃出来。

目前，我国科研人员已经在尝试把 MOFs与改性膨润土结合，研发新型高效除臭猫砂[2]。

当然，MOFs 的本领远不止除臭。在医学领域，它还是一位优秀的“药物快递员”。

许多营养素（如维生素）和抗癌药物都面临三大困境：难溶解、易降解、难吸收。口服后，它们常在胃肠道中就被胃酸或酶破坏，真正进入血液发挥作用的部分微乎其微。MOFs 的纳米孔洞能将药物分子“封装”起来，像一艘潜水艇般保护其安全通过胃部强酸环境，抵达肠道碱性环境后再定向释放。例如，MIL-100 等 MOFs 材料负载布洛芬时，载药量远超传统材料，缓释时间可延长至数天，这对需要长期服药的慢性病患者意义非凡[3]。

MOFs 还有着极为宽广的抗菌谱，对革兰氏阳性菌、阴性菌乃至真菌均表现优异，且极大降低了耐药性产生的风险。从医用敷料、食品安全包装到饮用水净化，都有较好的应用前景[4]。

在食品领域，科学家甚至研制出了“可食用MOFs”。利用天然环糊精（源于淀粉）与钾离子合成的环糊精 MOFs，不仅无毒可食用，还能高效封装抗菌物质或保鲜剂，延长水果保质期；也可将其拓展至功能性宠物食品领域，制备 MOFs 猫粮，通过负载营养增效成分、肠道抑菌因子等，提升猫粮营养吸收率与功能性。

如果把目光再放远一点，MOFs 的“舞台”还会变得更大[5]。

面对全球气候变化，人们希望减少空气中的二氧化碳排放。CALF-20 等MOFs 材料可以像海绵一样，从工业废气中选择性吸收二氧化碳，再通过简单处理将其释放出来，实现循环利用，为碳捕集与碳封存技术提供新的解决方案。

在新能源领域，它还能储存氢气、甲烷等清洁能源。由于内部拥有大量规则孔道，同样体积下，它能够储存更多气体，有望让未来储氢设备变得更加轻便、安全。

甚至，在一些极度缺水的地区，MOFs 还能直接从空气中“取水”。

空气中其实一直存在着看不见的水蒸气，只是浓度很低，难以利用。而一些特殊设计的 MOFs，即使在空气湿度较低的环境下，也能够主动捕获水分子。等太阳升起、温度升高后，再把这些水分释放出来，凝结成液态淡水。

对于缺水地区来说，这意味着未来或许不用依赖河流和地下水，仅靠空气，就有机会获得稳定的饮用水来源。

集水装置及运行参数

更重要的是，MOFs 不是一次性耗材。通过简单改变化学环境，其配位键可以可逆地断开与重组，实现回收利用。

总结

尽管目前多数的 MOFs 大批量生产成本还偏高，但随着 2025 年诺贝尔化学奖所带来的关注及合成工艺的不断进步，这些能够筑起纳米宫殿的“分子积木”，正坚定地走出实验室，迈入我们的日常生活。

从家里的猫砂、猫粮、创可贴、生鲜包装，到治病缓释药物、新能源汽车，再到沙漠取水、工厂减碳，一个由 MOFs 构建的更清洁、更健康、更可持续的世界，正在我们手中一块块“搭建”成型。

参考文献

[1]GAGLIARDI L. Profile of Richard Robson, Susumu Kitagawa, and Omar M. Yaghi: 2025 Nobel laureates in Chemistry [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026, 123(20): e2605022123.

[2]李雪瑶. 宁城猫砂走向世界[EB/OL]. 内蒙古日报·草原云, (2025-09-19)[2026-06-20].

[3]Tong P, Wang R, Zhou Y, et al. Enhancing the targeting ability of metal-organic frameworks in cancer therapy and diagnosis [J]. Nature Reviews Chemistry, 2026, 10(4): 1-19.

[4]北京科技大学. 一种TiO2@Ag/Ti-MOF功能材料及其制备方法: 202411496114. X[P]. 2025-12-09.

[5]Kim H, Yang S, Rao R S, et al. Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight [J]. Science, 2017, 356(6336): 430-434.

策划制作

作者｜董文钧 北京科技大学材料科学与工程学院教授

审核｜范勇 吉林大学化学学院教授