在干旱的沙漠地區(qū)提取水源、過(guò)濾空氣中的有害化學(xué)物質(zhì)以及將藥物輸送到身體其他難以觸及的部位，這些都離不開(kāi)微小多孔晶體化合物。它們能夠吸收并部分分解氣體和其他分子。

今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了“填補(bǔ)空白”的化學(xué)材料研究學(xué)者Richard Robson, Susumu Kitagawa und Omar Yaghi 。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)稱(chēng)，他們的材料研發(fā)取得了重大進(jìn)展，為化學(xué)創(chuàng)造了新的空間。

具有捕獲二氧化碳和吸收有害環(huán)境化學(xué)物質(zhì)的潛力。

“化學(xué)建筑師”

水、巖石、金屬，以及人類(lèi)基因和高度復(fù)雜的分子……宇宙的全部物質(zhì)僅由有限數(shù)量的化學(xué)元素組成。它們構(gòu)成了我們所知的一切。

今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主利用化學(xué)手段構(gòu)建了全新的材料。一種具有大空腔的金屬有機(jī)結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于非常穩(wěn)定的海綿。

柏林工業(yè)大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教授 Matthias Drie? 解釋?zhuān)熬拖窠ㄔ旆课輹r(shí)需要用到各個(gè)組件。”可以將三位獲獎(jiǎng)?wù)邩?gòu)建比作建造房屋的框架。框架的拐角由金屬原子構(gòu)成，而連接部分則由長(zhǎng)度不一的有機(jī)材料制成。Drie?介紹道，“這很巧妙：我可以把分子存儲(chǔ)在這種結(jié)構(gòu)中。然后再次取出它們，用于靶向化學(xué)反應(yīng)?！?/p>

就像赫敏的手提包

英國(guó)科學(xué)家Richard Robson在開(kāi)發(fā)這些金屬有機(jī)構(gòu)架（MOF）方面做出了開(kāi)創(chuàng)性的工作。他1974年在澳大利亞墨爾本大學(xué)任教時(shí)，就提出了帶有空腔的分子結(jié)構(gòu)的想法。其靈感來(lái)自金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，金剛石中的碳顆粒以規(guī)則的圖案排列。他沒(méi)有采用碳，而是提出了將銅原子和有機(jī)分子以類(lèi)似的方式組合在一起的想法。這樣就能形成巨大的空腔。

Robson的材料還是不穩(wěn)定，基本構(gòu)件經(jīng)常斷裂。但他的想法引起了轟動(dòng)。20世紀(jì)90年代末，日本科學(xué)家Susumu Kitagawa(北川進(jìn))成功構(gòu)建了一種穩(wěn)定的分子框架，其空腔可以填充甲烷或氧氣等氣體。

約旦科學(xué)家Omar Yaghi在20世紀(jì)90年代對(duì)這類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。他用一種銅鈷化合物(MOF-5)取得了里程碑式的成就，這種化合物如今被認(rèn)為是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作。只有方糖大小的一小部分，卻擁有一個(gè)足球場(chǎng)大小的表面積。

像MOF-5這樣的材料非常適合吸收大量氣體和其他分子。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席Heiner Linke解釋,“它就像《哈利·波特》里赫敏的手提包——里面很大，但外面只有一塊方糖那么大，”

神奇的“化學(xué)海綿”

尤其值得關(guān)注的是，諾貝爾獎(jiǎng)得主們開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行特定修改。根據(jù)所使用的基本構(gòu)件、排列方式和腔體大小，它們可以捕獲特定的氣體或分子，有時(shí)甚至可以對(duì)其進(jìn)行化學(xué)降解。

Yaghi 和他的團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)造了一種能夠從空氣（哪怕是干燥的沙漠空氣）中捕獲水分子的結(jié)構(gòu)。這對(duì)于飲用水的生產(chǎn)至關(guān)重要。目前正在進(jìn)行很多用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的相關(guān)結(jié)構(gòu)研究，例如，它們可以吸收廢物中的稀土元素、降解石油泄漏，以及過(guò)濾水中的 PFAS 等多年生化學(xué)物質(zhì)。如果這些晶格結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，能夠在特定的溫度或 pH 值下釋放活性成分，它們還可以用于藥物的靶向輸送。

此外，有關(guān)過(guò)濾工業(yè)廢氣中破壞氣候的二氧化碳的測(cè)試也在研究之列。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席Heiner Linke充滿期待地說(shuō)，“我們的夢(mèng)想是能夠大規(guī)模地進(jìn)行這項(xiàng)工作，回收二氧化碳，甚至可能在未來(lái)某個(gè)時(shí)候減少空氣中的二氧化碳含量，”

但這些材料目前大多僅小規(guī)模使用。但許多公司正在投資，致力于讓它們?yōu)槿祟?lèi)所用。

Robson、Kitagawa 和 Yaghi 的研究不僅改變了化學(xué)，也為 21 世紀(jì)的一些重大挑戰(zhàn)提供了解決方案。無(wú)論是氣候變化、水資源短缺還是環(huán)境污染，他們開(kāi)發(fā)的 MOF 材料都為解決這些問(wèn)題開(kāi)辟了新的可能性。