斯德哥爾摩時間 10 月 8 日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將 2025 年諾貝爾化學(xué)獎授予三位在“金屬有機框架”領(lǐng)域做出開創(chuàng)性貢獻的科學(xué)家：日本京都大學(xué)的 Susumu Kitagawa、澳大利亞墨爾本大學(xué)的 Richard Robson 以及美國加州大學(xué)伯克利分校的 Omar M. Yaghi。他們將平分 1100 萬瑞典克朗的獎金，以表彰他們“對金屬有機框架（metal-organic frameworks, MOFs）的開發(fā)”。這三位化學(xué)家所創(chuàng)造的分子建筑，為人類應(yīng)對氣候變化、環(huán)境污染和能源儲存等全球性挑戰(zhàn)開辟了全新路徑。

（來源：Nobel Prize）

諾貝爾化學(xué)委員會主席 Heiner Linke 在新聞發(fā)布會上表示，金屬有機框架材料具有巨大潛力，為定制設(shè)計具有全新功能的材料帶來了前所未有的機遇。這些由金屬離子作為“拐角”或節(jié)點，由有機分子作為“連桿”或支柱，通過自組裝方式搭建起來的高度有序的晶體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部充滿了微觀尺寸的孔洞。正是這些可以被精確設(shè)計的孔洞，賦予了化學(xué)家們前所未有的能力，去捕獲、儲存、分離特定的分子，甚至在其中催化化學(xué)反應(yīng)。從沙漠空氣中收集飲用水，到從工業(yè)廢氣中捕獲二氧化碳；從過濾水中微量的藥物殘留和全氟及多氟烷基物質(zhì)，到為氫能源汽車設(shè)計更安全高效的儲氣罐，MOFs 展現(xiàn)的應(yīng)用圖景幾乎無所不包，被部分研究者譽為“21 世紀的材料”。

這個故事要從 1974 年的一個普通教學(xué)日講起。當時在墨爾本大學(xué)任教的 Richard Robson 正在為學(xué)生準備一堂經(jīng)典化學(xué)課，課程內(nèi)容是用木球和木棒搭建分子模型。為了讓模型能夠正確工作，他需要大學(xué)工坊在木球上鉆孔，以便插入代表化學(xué)鍵的木棒。但這些孔洞不能隨意安排，每種原子——無論是碳、氮還是氯——都以特定方式形成化學(xué)鍵，孔洞位置必須精確對應(yīng)。當工坊將打好孔的木球送回時，Robson 在組裝過程中突然意識到，這些孔洞的位置中蘊含著大量信息。模型分子會自動呈現(xiàn)出正確的形狀和結(jié)構(gòu)，僅僅因為孔洞位置的安排。這個發(fā)現(xiàn)引發(fā)了他的下一個想法：如果利用原子的固有屬性來連接不同類型的分子，而不是單個原子，會發(fā)生什么？能否設(shè)計出全新類型的分子建筑？

這個想法在 Robson 的腦海中盤桓了十多年。每年當他拿出木制模型教授新學(xué)生時，同樣的念頭都會浮現(xiàn)。直到上世紀八十年代末，他終于決定付諸實踐。他從一個非常簡單的模型開始，靈感來自鉆石結(jié)構(gòu)——在鉆石中，每個碳原子與其他四個碳原子鍵合，形成微小的金字塔形。

（來源：Nobel Prize）

Robson 的目標是構(gòu)建類似結(jié)構(gòu)，但他使用的是帶正電的銅離子。與碳原子一樣，這些銅離子也傾向于周圍有四個其他原子。他將銅離子與一種具有四條"手臂"的分子結(jié)合，這個分子名為 4',4'',4''',4?-四氰基四苯甲烷（4',4'',4''',4?-tetracyanotetraphenylmethane），每條手臂末端都有一個腈基團，這種化學(xué)基團會被帶正電的銅離子吸引。

當時的大多數(shù)化學(xué)家都會認為，將銅離子與這種四臂分子混合只會產(chǎn)生一團亂麻般的離子和分子。但結(jié)果卻出乎意料地符合 Robson 的設(shè)想。正如他預(yù)測的那樣，離子和分子之間的固有吸引力發(fā)揮了作用，它們自發(fā)組織成了一個巨大的分子構(gòu)造。就像鉆石中的碳原子一樣，它們形成了規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。然而與鉆石這種致密材料不同，這種晶體內(nèi)部包含大量巨大的空腔。1989 年，Robson 在《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上發(fā)表了這一創(chuàng)新性化學(xué)創(chuàng)造。在論文中，他對未來進行了推測，認為這可能提供一種構(gòu)建材料的新方法，這些材料可以被賦予前所未見且可能有益的性質(zhì)。事實證明，他預(yù)見了未來。

Robson 的開創(chuàng)性工作揭示了一條通往新世界的道路，但他最初的結(jié)構(gòu)相當脆弱，容易坍塌，這使得許多化學(xué)家對其應(yīng)用前景持懷疑態(tài)度。然而，這顆思想的種子已經(jīng)播下，并即將由另外兩位科學(xué)家——Susumu Kitagawa 和 Omar Yaghi——分別在地球的兩端，澆灌成參天大樹。在 1992 年到 2003 年間，他們各自獨立取得的一系列革命性發(fā)現(xiàn)，為這門新興的分子建筑學(xué)奠定了堅實的根基。

遠在日本的 Susumu Kitagawa，其科研生涯深受日本首位諾貝爾獎得主湯川秀樹（Hideki Yukawa）引述的中國古代思想家莊子思想的影響——“無用之用，方為大用”。這種哲學(xué)觀讓他得以在研究初期，頂住外界對于“不穩(wěn)定、無目的”的質(zhì)疑。

圖丨湯川秀樹（來源：Wikipedia）

1992 年，Kitagawa 發(fā)表了他的第一個金屬有機框架結(jié)構(gòu)：一個基于銅離子和吡嗪、乙腈的二維網(wǎng)絡(luò)，其空腔中可以容納丙酮分子。雖然這個結(jié)構(gòu)在實用性上還不夠理想，但它代表了一種關(guān)于分子建筑的新思維方式。Kitagawa 想繼續(xù)探索，但當他向研究資助機構(gòu)申請經(jīng)費時，卻屢屢碰壁——評審們認為這些材料既不穩(wěn)定又沒有明確用途，不值得投資。

但 Kitagawa 沒有放棄。1997 年，他迎來了首次重大突破。他使用鈷、鎳或鋅離子與一種名為 4,4'-聯(lián)吡啶的有機分子，以及硝酸根作為輔助配體，成功合成了一種被他稱為“舌槽式”（tongue-and-groove）的三維框架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的幾何特征是突出的“舌”嵌入相鄰的“槽”中，形成層狀排列。更重要的是，這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部布滿了開放的通道，在去除填充其中的水分子后依然能保持穩(wěn)定，并且能夠在室溫下可逆地吸收和釋放甲烷、氮氣和氧氣等氣體，而自身結(jié)構(gòu)不受影響。這是 MOF 材料首次展現(xiàn)出實用的氣體吸附功能，標志著該領(lǐng)域從純粹的結(jié)構(gòu)化學(xué)探索走向功能材料開發(fā)。

（來源：Nobel Prize）

然而，研究資助者仍然猶豫不決。當時化學(xué)家們已經(jīng)有了沸石——一類由硅鋁酸鹽構(gòu)成的穩(wěn)定多孔材料，已在工業(yè)上廣泛應(yīng)用于氣體分離和催化。既然有了成熟的沸石技術(shù)，為什么還要開發(fā)這種看起來不那么穩(wěn)定的新材料呢？Kitagawa 明白，如果要獲得重大資助和學(xué)界認可，他必須闡明 MOFs 的獨特價值所在。1998 年，他在《日本化學(xué)會會報》上發(fā)表了一篇具有里程碑意義的展望文章。在這篇文章中，他系統(tǒng)地提出了 MOFs 相對于傳統(tǒng)多孔材料的根本優(yōu)勢：首先，MOFs 可以由幾乎無限多種金屬和有機分子組合而成，這賦予了它們難以想象的結(jié)構(gòu)和功能多樣性；更重要的是，與硬脆的沸石不同，MOFs 包含柔性的有機連接單元，可以被設(shè)計成能夠響應(yīng)外界刺激而動態(tài)變化的“軟材料”。

Kitagawa 隨即提出了一個影響深遠的概念框架，將 MOFs 分為三代：第一代是在去除客體分子后會坍塌的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；第二代是能夠穩(wěn)定地、可逆地吸附和釋放客體分子而保持結(jié)構(gòu)完整性的框架；第三代則是他預(yù)言的“軟多孔晶體”——這類材料的框架結(jié)構(gòu)本身是柔性的，能夠根據(jù)外部條件（如壓力、溫度）或客體分子的性質(zhì)而動態(tài)地收縮、膨脹或扭曲，就像生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)一樣。這一構(gòu)想在當時是革命性的，因為它意味著 MOFs 不再僅僅是靜態(tài)的分子容器，而可能成為能夠“呼吸”、能夠“感應(yīng)”環(huán)境的智能材料。幾年后，包括 Kitagawa 自己在內(nèi)的多個研究團隊成功合成了這類柔性 MOFs，證實了他的預(yù)言。事實上，他 1997 年合成的那個“舌槽式”結(jié)構(gòu)后來也被證明具有柔性特征。

與此同時，在美國的 Omar Yaghi 也在探索一種更可控、更具設(shè)計性的材料合成方法。Yaghi 生于約旦安曼的一個缺少水電的家庭，對他而言，科學(xué)是逃離困頓生活的避難所。他厭倦了傳統(tǒng)化學(xué)合成中“一鍋燴”式的、充滿不可預(yù)測性的反應(yīng)。他渴望一種如同搭積木般的化學(xué)，能夠通過理性設(shè)計，將精心挑選的化學(xué)構(gòu)件精確地組裝成宏大的結(jié)構(gòu)。1995 年，Yaghi 在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一種穩(wěn)定的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并首次鑄造了“金屬有機框架”（metal-organic framework）這個術(shù)語。

而真正讓整個化學(xué)界為之震動的，是他在 1999 年推出的 MOF-5。這個由含鋅團簇和有機酸分子構(gòu)成的框架，展現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性，即使在真空環(huán)境下加熱到 300 攝氏度也能屹立不倒。更令人驚訝的是其巨大的內(nèi)部比表面積——理論計算表明，幾克 MOF-5 粉末內(nèi)部孔隙展開的面積，足以媲美一個標準足球場。這意味著它在氣體吸附能力上，遠遠超越了當時所有的沸石材料。

（來源：Nobel Prize）

MOF-5 的誕生，宣告了 MOF 研究從“可能性探索”進入了“實用性開發(fā)”的新紀元。在此基礎(chǔ)上，Yaghi 進一步系統(tǒng)化了 MOF 的設(shè)計哲學(xué)，提出了“網(wǎng)狀化學(xué)”（Reticular Chemistry）的全新概念。這一理論框架，使得科學(xué)家們能夠像建筑師一樣，通過更換不同長度或功能的“連桿”分子，在保持整體拓撲結(jié)構(gòu)不變的前提下，精確地定制孔洞的大小和化學(xué)環(huán)境，從而系統(tǒng)地創(chuàng)造出具有不同特性的 MOF 家族。

Robson 的原始構(gòu)想、Kitagawa 的柔性發(fā)現(xiàn)、以及 Yaghi 的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計理論，共同構(gòu)成了現(xiàn)代 MOF 科學(xué)的三大支柱。他們的工作，將化學(xué)合成從過去依賴試錯和偶然發(fā)現(xiàn)的“藝術(shù)”，轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T可以精確預(yù)測和理性設(shè)計的“科學(xué)”。在他們奠定的基礎(chǔ)上，全球的化學(xué)家們?nèi)缃褚呀?jīng)創(chuàng)造出數(shù)以萬計種結(jié)構(gòu)各異、功能不同的 MOFs。

這些“分子海綿”的現(xiàn)實應(yīng)用正在從實驗室走向工業(yè)化。例如，Yaghi 的團隊已經(jīng)開發(fā)出能在亞利桑那州的干燥夜晚從空氣中捕獲水蒸氣，并在白天陽光照射下釋放出純凈飲用水的 MOF 材料。在加拿大，一種名為 CALF-20 的 MOF 因其卓越的二氧化碳捕獲能力，正在工廠進行工業(yè)規(guī)模的測試。而在新能源領(lǐng)域，為解決氫氣儲存難題而優(yōu)化的 NU-1501 材料，可以在常壓下安全地儲存和釋放氫氣，為燃料電池汽車的普及掃清了一大障礙。此外，清除水體中的微量污染物、在戰(zhàn)爭中分解化學(xué)武器毒劑、作為藥物載體精準遞送藥物……MOFs 的應(yīng)用清單每天都在變長。

誠然，從實驗室的克級制備到工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)，MOFs 仍面臨著成本、穩(wěn)定性及生產(chǎn)工藝等方面的挑戰(zhàn)。但這無損于三位獲獎?wù)哓暙I的根本價值。他們給予世界的，遠不止一種新材料，而是一套功能強大、近乎無限可調(diào)的“分子樂高”和一種全新的設(shè)計思想。他們用數(shù)十年的堅持證明，在很多時候，最堅實的根基往往鋪墊于那些最初看似“無用”的土壤之中。

參考資料：

1.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/press-chemistryprize2025.pdf

2.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/popular-chemistryprize2025-1.pdf

3.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/advanced-chemistryprize2025.pdf

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