2025諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主

“最化學(xué)的化學(xué)獎(jiǎng)”，10月8日，2025諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)分別頒布給了來自日本、澳大利亞、美國的三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)诮饘儆袡C(jī)框架（Metal–Organic Frameworks, MOFs）材料開發(fā)方面做出的貢獻(xiàn)。

這是一個(gè)在化學(xué)研究中不算小眾的領(lǐng)域。事實(shí)上，從1980年代開始，MOFs已經(jīng)在各國科學(xué)家的努力下獲得突破。三位諾獎(jiǎng)獲得者理查德·羅布森（Richard Robson）、北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）與奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）分別是在1989年、1992年、1995年在MOFs領(lǐng)域做出突破。

三位諾獎(jiǎng)獲得者理查德·羅布森（Richard Robson）、北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）與奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）分別是在1989年、1992年、1995年在MOFs領(lǐng)域做出突破

個(gè)人經(jīng)歷上，奧馬爾·亞吉的故事尤其曲折。這位被學(xué)界稱為“MOF之父”的世界頂級(jí)化學(xué)家，卻有著一個(gè)非常貧瘠的出身。1965年，奧馬爾·亞吉出生在約旦安曼，在一個(gè)從巴勒斯坦逃亡的難民家庭里長大。父母總共養(yǎng)育了9個(gè)孩子，11口人擠在沙漠里一個(gè)沒有電和自來水的房間里。那時(shí)，全家唯一水源，便是政府每隔兩周供應(yīng)的自來水。

奧馬爾曾回憶，當(dāng)時(shí)，每隔兩周的自來水一來，家人會(huì)把家里所有的容器都拿去接水。

回想起來，這一幕讓他感慨干旱地區(qū)的水有多珍貴，這同時(shí)促進(jìn)了MOFs的一大應(yīng)用場(chǎng)景的產(chǎn)生——到沙漠中收集飲用水。

諾貝爾獎(jiǎng)得主奧馬爾·亞吉/圖源：UCLA

如今，化學(xué)家們已設(shè)計(jì)出數(shù)以萬計(jì)的MOFs，它們被用于碳捕集、空氣凈化、能源存儲(chǔ)等眾多前沿領(lǐng)域。在半導(dǎo)體制造中，也有MOFs被用于捕捉或分解生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的劇毒氣體。

正如諾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)詞所說：“金屬有機(jī)框架具有巨大的潛力，為定制化的新功能材料帶來了前所未有的可能性。”

積木的奧秘

提到化學(xué)家的工作，愛看劇的人或許會(huì)想到美劇《絕命毒師》。劇中的沃爾特·懷特(老白），一般穿著白色實(shí)驗(yàn)大褂，在裝著各類液體和粉末的瓶瓶罐罐之間來回?fù)v鼓，把各類元素放入燒杯或者試管里，等待化學(xué)反應(yīng)，最后生成、提純出一些新物質(zhì)。

比如，老白愛提純的毒品。

這確實(shí)是很長一段時(shí)期里的現(xiàn)實(shí)。1990年代之前，化學(xué)家們已經(jīng)能精確地合成“零維”的結(jié)構(gòu)——也就是單個(gè)分子。實(shí)驗(yàn)高手能組裝出高度復(fù)雜的化合物。然而，如何在人造條件下控制性地合成二維甚至三維的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，卻是化學(xué)界的空白。

諾貝爾獎(jiǎng)得主羅德·霍夫曼（Roald Hoffmann）曾感嘆：“在二維或三維世界里，這仍是一片合成的荒原?！?/p>

墨爾本大學(xué)的化學(xué)家理查德·羅布森率先動(dòng)手了——靈感來源于鉆石的結(jié)構(gòu)。1980年代，他提出一個(gè)大膽設(shè)想：“是否可以用有機(jī)分子作‘支架’，與金屬離子配位，從而造出一個(gè)規(guī)則、可預(yù)測(cè)的三維晶格？”

一個(gè)更簡單的理解版本是：如果化學(xué)材料能像“拼積木”一樣，讓原子或分子依照其化學(xué)特性自行連接，一座由分子積木搭成的宮殿就形成了。這座“分子宮殿”可以被設(shè)計(jì)，形成具有規(guī)則孔洞結(jié)構(gòu)的合成材料。

理查德·羅布森的靈感來自鉆石的結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)碳原子都與另外四個(gè)碳原子相連，形成金字塔狀。他沒有使用碳，而是使用了銅離子和一個(gè)帶有四條臂的分子，每條臂的末端都有一個(gè)腈基。這是一種能被銅離子吸引的化合物。當(dāng)這些物質(zhì)結(jié)合時(shí)，它們形成了一個(gè)有序且非常寬敞的晶體。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

羅布森參考了鉆石的微觀結(jié)構(gòu)，將帶正電的銅離子與四臂有機(jī)分子相結(jié)合。但是，這一舉動(dòng)被當(dāng)時(shí)多數(shù)化學(xué)家不解，他們相信，銅離子與四臂分子結(jié)合只會(huì)形成雜亂無章的混合物。

但結(jié)果驗(yàn)證了羅布森的預(yù)想：金屬離子與有機(jī)分子間的內(nèi)在引力主導(dǎo)了組裝過程，它們自行排列出了與鉆石類似的規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)。但不同于鉆石的是，這種晶體內(nèi)部并不是致密的，而是蘊(yùn)含著寬敞的空腔，就像一座搭著腳手架的建筑一樣，中間有巨大的、規(guī)律的空隙。

1989年，羅布森在《美國化學(xué)會(huì)志》上發(fā)表成果，首次提出這類分子網(wǎng)絡(luò)的潛力，預(yù)言它們將賦予化學(xué)材料前所未有的性質(zhì)。

不過，羅布森的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)沒得到認(rèn)可。他的初期構(gòu)造物穩(wěn)定性欠佳，較易分解，許多化學(xué)家認(rèn)為，這是無用之作。

有相似想法的人屬于小眾群體。這類人的共同點(diǎn)是，都對(duì)主流觀念懷有質(zhì)疑和批判的視角。

諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德·羅布森/圖源：墨爾本大學(xué)

1992年，當(dāng)難民家庭出身的奧馬爾來到美國亞利桑那州立大學(xué)，開始做他主導(dǎo)的第一個(gè)研究時(shí)，他也打算走蹊徑，用“積木”原理制造大型晶體。

原因很簡單，奧馬爾記得，以前的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，制備延展結(jié)構(gòu)的過程被戲稱為“搖晃和烘烤”方法。化學(xué)家會(huì)將起始材料加熱到極高的溫度（通常超過500°C），接下來的工作就是等待，等待運(yùn)氣的垂青，獲得好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

而奧馬爾想的是，他要找到更可控的方法來創(chuàng)造材料。“（以前）一旦制成后無法進(jìn)行有意義的修改。這種缺乏精確性（的過程）讓我感到沮喪。我想創(chuàng)造具有特定的、可預(yù)測(cè)形態(tài)的延展結(jié)構(gòu)。”就像建筑家一樣，他希望使用理性設(shè)計(jì)，像搭積木一樣連接不同的“模塊”。

他野心勃勃的想法僅僅在3年后就得到認(rèn)證。1995年，奧馬爾發(fā)表了兩種不同的二維材料的結(jié)構(gòu)：它們像網(wǎng)一樣，由銅或鈷連接在一起。重要的是，這一研究發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了將過渡金屬離子與帶電的羧酸鹽連接體連接的反應(yīng)條件，從而形成了強(qiáng)金屬-連接體鍵。這一突破帶來了結(jié)晶的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，開啟了固態(tài)結(jié)構(gòu)制造的新紀(jì)元。

奧馬爾·亞吉在實(shí)驗(yàn)室/圖源：清華大學(xué)

還是以建筑做類比。在“分子建筑”里，金屬離子相當(dāng)于“房梁立柱”（節(jié)點(diǎn)），有機(jī)分子則是“連接框架”，也就是建筑的鋼筋。有了節(jié)點(diǎn)和鋼筋，經(jīng)過人類精心設(shè)計(jì)后，它們共同組成了“分子建筑”，也就是MOFs。

在1995年發(fā)表的知名論文里，奧馬爾首次提出了“金屬有機(jī)框架”（MOFs）概念。這讓他成為了著名的“MOF之父”。

對(duì)MOF的追逐在同時(shí)代的科學(xué)家們競(jìng)合之中達(dá)到了頂峰。1997年，日本的北川進(jìn)團(tuán)隊(duì)將鈷、鎳或鋅離子與名為4,4′-聯(lián)吡啶的分子，創(chuàng)造出三維金屬有機(jī)框架。晶體層之間呈古建筑的“榫卯”式嵌合（tongue-and-groove）。

更重要的是，北川進(jìn)的實(shí)驗(yàn)表明，這座“分子宮殿”可以容納水分子與氣體分子。在干燥后，這種框架能在常溫下吸附甲烷、氮?dú)獾刃》肿託怏w，并可逆地釋放。這使MOFs能夠像海綿一樣，既可以吸附氣體，也可以儲(chǔ)存氣體，過濾污染物，甚至催化化學(xué)反應(yīng)。

1997年，日本的北川進(jìn)團(tuán)隊(duì)將鈷、鎳或鋅離子與名為4,4′-聯(lián)吡啶的分子，創(chuàng)造出三維金屬有機(jī)框架。晶體層之間呈古建筑的“榫卯”式嵌合（tongue-and-groove）。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

而此時(shí)，化學(xué)界依然對(duì)此有所質(zhì)疑。比較有代表性的質(zhì)疑聲是，早就有化學(xué)材料能做到MOFs的功能，例如，負(fù)責(zé)吸附有毒有害物質(zhì)的活性炭或沸石。MOFs還是面臨“無用的發(fā)明”“性價(jià)比不高”等等質(zhì)疑。

但北川進(jìn)很堅(jiān)定，屢次對(duì)外界闡明他的決心，他指出，MOFs含有柔性的分子構(gòu)建塊，可以創(chuàng)造出一種柔韌的材料，比活性炭等更具想象力和研究價(jià)值。

科學(xué)家最終靠著“接力”，闡述了MOFs空間的強(qiáng)大。1999年，奧馬爾向世界展示了他設(shè)計(jì)的“建筑”——MOF-5。MOF-5孔隙多，有著寬敞且穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)。即使在空置狀態(tài)下，它被加熱到300°C也不會(huì)坍塌。更為驚人的是，一茶匙的MOF-5（約2克）內(nèi)部的展開面積，約等于一個(gè)7000平方米的足球場(chǎng)。更大的面積，意味著它可以比沸石吸收多得多的氣體。

這就是三維結(jié)構(gòu)的魅力。

1999年，奧馬爾向世界展示了他設(shè)計(jì)的“建筑”——MOF-5。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

回想起1990年代在艱辛中前進(jìn)的事業(yè)，奧馬爾在2025年的分享中提到，他總結(jié)出了5%規(guī)則——“當(dāng)95%的人懷疑你時(shí)，一般仍有5%的人堅(jiān)定地認(rèn)可你所嘗試做的事情”。

他回憶，團(tuán)隊(duì)在上世紀(jì)取得開創(chuàng)領(lǐng)域的第一個(gè)發(fā)現(xiàn)時(shí)，懷疑聲撲面而來，“批評(píng)者似乎來自四面八方，質(zhì)疑我們所做的一切是否可能”。

在外界的一片反對(duì)聲中，奧馬爾發(fā)現(xiàn)：“你需要關(guān)注的就是這5%的人。你認(rèn)真對(duì)待批評(píng)，但最終，相信自己的直覺，做你知道需要做的事情?！?/p>

擁抱AI的化學(xué)家

頂級(jí)化學(xué)家奧馬爾的勵(lì)志故事，開始于一次出走。

他出身難民家庭，父親只有六年級(jí)的學(xué)歷，母親不太識(shí)字。9個(gè)孩子擠在一間位于沙漠的房子里，同一個(gè)屋子里還有養(yǎng)牛的牛圈。但惡劣條件沒有阻擋一個(gè)無視困難少年的化學(xué)夢(mèng)。

奧馬爾曾在公開場(chǎng)合回憶，他是在10歲那年的一個(gè)中午，走進(jìn)了一座未上鎖的圖書館里，打開了一本書。無意中，他被里面講述分子的章節(jié)吸引，從此決心學(xué)習(xí)化學(xué)。15歲那年，因?yàn)槌煽儍?yōu)異，他在父親的幫助下，獨(dú)自抵達(dá)紐約，進(jìn)入了一所社區(qū)公立學(xué)校。當(dāng)時(shí)，他的英語水平很差，自帶口音，聽起來非常別扭。

這位帶著夢(mèng)想與家族期望的少年應(yīng)該沒想到，他后來研究的學(xué)科，不僅改變了自己的命運(yùn)，竟然還可以改變家鄉(xiāng)人民的困境。

奧馬爾·亞吉

抵達(dá)美國后，他的英文飛速進(jìn)步，在化學(xué)道路上越走越深。1990年，35歲的奧馬爾成為哈佛大學(xué)博士后研究員，師從美國科學(xué)院院士理查德·霍爾姆。兩年后，他到亞利桑那州立大學(xué)做助理教授。

年輕的學(xué)者直覺敏銳，他在3年后就提出了MOFs概念，到了21世紀(jì)，他創(chuàng)立并推動(dòng)網(wǎng)格化學(xué)這一新興學(xué)科。從2000年到2010年間，他是全球的論文被引用次數(shù)第二多的化學(xué)家。

此后，他開始接近瘋狂地制造“建筑”。21世紀(jì)初，他制造了16種 MOF-5的變體材料。許多材料的“建設(shè)”都為MOFs后期的應(yīng)用，尤其是為緩解氣候和環(huán)境問題方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

21世紀(jì)初，奧馬爾制造了16種MOF-5的變體材料。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

例如，奧馬爾曾發(fā)現(xiàn)，鋅基的MOF材料可以吸收并儲(chǔ)存氫氣。當(dāng)時(shí)，美國總統(tǒng)喬治·布什正大力押注“氫經(jīng)濟(jì)”，提出氫氣有一天將取代化石燃料。奧馬爾的發(fā)現(xiàn)讓許多人跟進(jìn)研究，期望今后可以將氫氣存儲(chǔ)于 MOFs 超級(jí)海綿中，并按需釋放。

再后來，他將研究重點(diǎn)放在了MOF材料在水吸附領(lǐng)域的應(yīng)用。2014年，奧馬爾課題組成功合成MOF-801單晶樣品。很快，團(tuán)隊(duì)發(fā)明了像微波爐大小的實(shí)驗(yàn)裝置，里面裝著MOF-801，讓它們?cè)谝雇砦湛諝庵械乃魵狻?/p>

到了白天，他們?cè)倮铆h(huán)境中的太陽能，加熱MOF-801，使其釋放出高純度的液態(tài)水。

這一裝置最終被證實(shí)能有效解決沙漠地區(qū)的缺水問題。即使在濕度低至20%的沙漠環(huán)境中，一公斤的MOFs可以在12小時(shí)內(nèi)，收集到空氣里約2.8升的水。目前，這類裝置全程靠太陽能驅(qū)動(dòng)，可以有效打破干旱地區(qū)的用水荒。

奧馬爾·亞吉

更多MOF的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域“開花”。例如，電子工業(yè)已經(jīng)利用 MOF 材料，儲(chǔ)存用于半導(dǎo)體制造的有毒氣體，可降解包括化學(xué)武器成分在內(nèi)的有害氣體。多家公司正在測(cè)試從工廠與發(fā)電站廢氣中捕獲二氧化碳的MOF材料，以降低溫室氣體排放。

值得一提的是，盡管應(yīng)用領(lǐng)域很廣，但MOF材料至今仍未能獲得工業(yè)級(jí)的廣泛應(yīng)用。這是因?yàn)?，合成MOFs總體造價(jià)偏高，產(chǎn)業(yè)界始終沒找到成本更低的合成路徑，以達(dá)到價(jià)格和技術(shù)完美的平衡。

回到這些研究基礎(chǔ)科學(xué)的學(xué)者身上。有趣的是，這位早年逃離貧苦環(huán)境，中年星光熠熠的約旦裔美國籍學(xué)者，近年來積極擁抱AI的浪潮?！艾F(xiàn)實(shí)很清楚，”奧巴爾在一次受訪時(shí)提到，“要在未來蓬勃發(fā)展，化學(xué)研究者必須完全擁抱 AI 工具，利用其潛力，并在這一變革領(lǐng)域中發(fā)展?！?/p>

而且，“那些抵制這一變化的人將冒著比以往任何時(shí)候都更大的風(fēng)險(xiǎn)。這不僅僅是現(xiàn)代化的呼吁，而是化學(xué)作為一門學(xué)科的生存問題?！眾W馬爾強(qiáng)調(diào)。

他在近年與同事成立了一家新的研究所，專注于利用AI+網(wǎng)格化學(xué)來應(yīng)對(duì)氣候挑戰(zhàn)。AI+化學(xué)的應(yīng)用正好符合他心目中的化學(xué)：可以被設(shè)計(jì)，可以被預(yù)測(cè)，可以被精準(zhǔn)掌握。具有超強(qiáng)計(jì)算能力的AI大模型可以幫助預(yù)測(cè)和繪制出不同分子幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的龐大潛在結(jié)構(gòu)空間，這能顯著加速候選材料的篩選過程，同時(shí)大幅節(jié)約資源。

在實(shí)驗(yàn)室中的奧馬爾·亞吉/圖源：加州大學(xué)

他曾在受訪時(shí)舉例，團(tuán)隊(duì)一直傾力于羥肟酸酯MOF。但由于其框架材料結(jié)晶過程異常困難，導(dǎo)致在過去5年間，團(tuán)隊(duì)僅成功合成出一種羥肟酸酯 MOF。而就在最近2年，有了AI大模型后，他們讓機(jī)器對(duì)文獻(xiàn)中的文本與圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的挖掘，明確研究方向，以此找到特定結(jié)構(gòu)單元組合生成MOFs的可行條件。

借助AI工具，奧巴爾透露，他旗下的一位研究生僅用6個(gè)月，就成功制備出15種新型化合物。

AI正在顛覆科學(xué)界，2024年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C布給了用AI預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的DeepMind工程師就說明了這一點(diǎn)。而2025諾獎(jiǎng)得主奧巴爾也堅(jiān)信，在技術(shù)浪潮前，人始終要保持敬畏。他要求實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生：每位成員必須掌握如何運(yùn)用AI來加速化學(xué)研究進(jìn)程的技能。

“化學(xué)長期以來一直被視為‘中心科學(xué)’，但已不再足夠。中心并不等于前沿?；瘜W(xué)必須重新定義自己為一門前沿科學(xué)，推動(dòng)邊界，擁抱新技術(shù)，并引領(lǐng)創(chuàng)新?！眾W巴爾提醒道。這位今年已經(jīng)60歲的“寒門貴子”，仍在關(guān)注和押注新技術(shù)，相信并致力于基礎(chǔ)研究與科技應(yīng)用的新一輪發(fā)展。

文中配圖部分來源于網(wǎng)絡(luò)

作者 |朱秋雨

編輯 | 向現(xiàn)

值班主編 | 吳擎

排版 | 菲菲