如果一名房地產(chǎn)中介負(fù)責(zé)推銷分子世界的房產(chǎn)，他或許會說：“這是一間寬敞明亮、專為水分子量身定制的單身公寓。”

這樣的“房子”確實存在。它們是由科學(xué)家精心設(shè)計的分子建筑——金屬有機框架（MOF）。今年，諾貝爾化學(xué)獎授予日本科學(xué)家北川進(jìn)、澳大利亞科學(xué)家理查德·羅布森和美國科學(xué)家奧馬爾·亞吉，以表彰他們在MOF材料開發(fā)方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

這種新型分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部擁有大量空腔，分子可在其中自由進(jìn)出。得益于三位科學(xué)家的工作，化學(xué)家如今已能設(shè)計出數(shù)以萬計的不同MOF，為化學(xué)領(lǐng)域帶來一連串“奇跡”。

理查德·羅布森：“分子建筑”靈感源自一節(jié)化學(xué)課
科學(xué)發(fā)現(xiàn)常始于“跳出框架”的思考。2025年諾貝爾化學(xué)獎的故事，源自一節(jié)普通的化學(xué)課準(zhǔn)備。

1974年，理查德·羅布森正在為課堂制作分子模型，他用木球代表原子、木棒代表化學(xué)鍵。擺弄間，他靈光一現(xiàn)：如果能像拼積木一樣，讓原子或分子依照其化學(xué)特性自行連接，能否構(gòu)建出新的“分子建筑”？

直到十多年后，他終于動手驗證這一想法。羅布森將帶正電的銅離子與四臂分子相結(jié)合，結(jié)果這些分子像鉆石晶格一樣自組裝成規(guī)則的三維晶體結(jié)構(gòu)，不同的是，這種晶體內(nèi)部竟有大量空腔。1989年，他在《美國化學(xué)會志》上發(fā)表成果，首次提出這類分子網(wǎng)絡(luò)的潛力，預(yù)言它們將賦予材料前所未有的性質(zhì)。

理查德·羅布森的靈感來源于鉆石的結(jié)構(gòu)，鉆石中的每個碳原子都與其他四個碳原子連接，形成金字塔狀的結(jié)構(gòu)。

此后，羅布森陸續(xù)合成出多種含空腔的分子網(wǎng)絡(luò)，并證明這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部的離子可以互換，從而讓物質(zhì)進(jìn)出。他展示了可按需設(shè)計的分子晶體，并提出這種材料可用作催化劑。盡管早期材料脆弱、易分解，被認(rèn)為“沒用”，但羅布森已打開了“分子建筑”的大門。

北川進(jìn)：讓“無用之物”變得有用

20世紀(jì)90年代，北川進(jìn)接過了羅布森探索的火種。他奉行的信條是：“要看到‘無用之物’的用處?！?br/>

1992年，北川進(jìn)構(gòu)建出一種二維分子材料，分子之間形成可容納丙酮分子的空腔。雖然功能有限，但這代表一種全新的分子設(shè)計思維。他同樣用金屬離子作為“支點”，以有機分子相連。

1997年，北川進(jìn)成功構(gòu)建出一種金屬有機骨架，其內(nèi)部由開放通道相交。

1997年，他的團隊用鈷、鎳、鋅離子與4,4′-聯(lián)吡啶分子搭建出三維MOF結(jié)構(gòu)，形成交錯的空腔通道。當(dāng)他們將材料中的水去除后，這些孔洞仍然穩(wěn)定，可以吸附和釋放甲烷、氧氣、氮氣等氣體而不變形。

面對“已有多孔沸石，為何還要MOF？”的質(zhì)疑，北川進(jìn)給出關(guān)鍵答案。他認(rèn)為，MOF可由多種金屬和有機分子構(gòu)建，功能可定制，并且材料柔韌，能如呼吸般吸附和釋放氣體。這一定義奠定了MOF的科學(xué)基礎(chǔ)。

奧馬爾·亞吉：為分子積木命名并賦予力量

在大洋彼岸， 奧馬爾·亞吉延續(xù)并拓展了這一理念。

1995年，亞吉正式提出“金屬有機框架（MOF）”這一名稱，定義了這種由金屬節(jié)點和有機配體組成、具有規(guī)則空腔的晶體結(jié)構(gòu)。

1999年，亞吉構(gòu)建了一種非常穩(wěn)定的材料——MOF-5，它具有立方體結(jié)構(gòu)。

隨后，他于1999年研發(fā)出MOF-5，這是一種極其穩(wěn)定且空間巨大的框架結(jié)構(gòu)，即使在300℃高溫下也不會坍塌。最令人震驚的是其內(nèi)部表面積：幾克MOF-5的內(nèi)部總面積相當(dāng)于一個足球場，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)沸石。這意味著它能吸附更多氣體。

亞吉的團隊繼續(xù)擴展MOF家族，創(chuàng)造出十幾種變體，用以儲存甲烷、捕獲二氧化碳，甚至在沙漠中利用MOF創(chuàng)造了“空中取水”的奇跡：夜晚材料吸附空氣中的水汽，白天經(jīng)太陽加熱后釋放出液態(tài)水，為干旱地區(qū)提供取水新途徑。

MOF-303可以在夜間捕獲沙漠空氣中的水蒸氣。當(dāng)早晨太陽加熱該材料時，便會釋放出可供飲用的水。

如今，科學(xué)家已設(shè)計出數(shù)以萬計的MOF，它們被用于碳捕集、空氣凈化、藥物遞送、能源存儲等眾多前沿領(lǐng)域。甚至在半導(dǎo)體制造中，也有MOF被用于捕捉或分解劇毒氣體。

一些科學(xué)家認(rèn)為，MOF潛力巨大，有望成為“21世紀(jì)的材料”。無論未來如何，通過MOF的開發(fā)，三位科學(xué)家為我們提供了解決能源、環(huán)境與健康等重大問題的新途徑，而這正契合了諾貝爾遺囑中“造福人類”的精神。

本文來自：科技日報