今年諾貝爾化學獎授予這3位科學家！獲獎者之一稱“靈感來自鉆石” | 詳細解讀

今日下午，2025年諾貝爾獎的最后一個自然科學類獎項揭曉。京都大學北川進（Susumu Kitagawa）教授、墨爾本大學Richard Robson教授以及加州大學伯克利分校的Omar Yaghi教授因開創(chuàng)了金屬有機骨架（MOF）的全新領域，摘得諾貝爾化學獎桂冠。在這篇文章中，我們將與大家分享3位獲獎者以及其他科學家在MOF領域的故事。

▲今年的諾貝爾化學獎得主（圖片來源：參考資料[1]）

框架化學的誕生

Omar Yaghi于1965年出生于約旦，在伊利諾伊大學香檳分校獲得化學博士學位后，他在哈佛大學擔任博士后，隨后在亞利桑那州立大學開始了獨立的學術(shù)生涯。在這里，他開始構(gòu)思、發(fā)展出其最重要的學術(shù)成就——將分子通過強鍵結(jié)合在一起，形成大的“框架”。框架化學（Reticular Chemistry）的概念由此誕生。

傳統(tǒng)的化學關(guān)注的往往是分子間的連接，尤其是當兩個原子共享電子時形成的強共價鍵。相反，超分子化學涉及的是分子之間的連接與相互作用。超分子化學最初局限于較弱的連接，例如我們熟悉的氫鍵和范德華力。

而框架化學的出現(xiàn)改變了這一局面，這時分子之間可以存在強共價鍵框架，框架化學創(chuàng)建的超分子結(jié)構(gòu)使得分子間具有前所未有的化學和結(jié)構(gòu)強度。每一個框架都可以被看作是一個分子，正如分子決定了每個原子的特定幾何形狀與空間排列，框架也決定了其中每個分子的形態(tài)與排列。由于這些框架包含的體積更大，因此其化學性質(zhì)遠比組成該框架的分子豐富，從而具有獨特的性質(zhì)。

框架化學獨特的性質(zhì)推動了一系列新型材料的開發(fā)，其具有非常大表面積的高孔隙率結(jié)構(gòu)，能夠高效地儲存被“困”在孔隙中的各種材料，如同是分子尺度上的晶體海綿，具有極強的吸附能力。

基于框架化學，Yaghi教授先后開發(fā)并發(fā)展了兩類全新的化合物，分別是金屬有機骨架（MOF）和共價有機骨架（COF）。COF由有機材料形成，而MOF結(jié)合了有機與無機材料，兼具無機材料的剛性與有機材料的柔性特征。這類材料以金屬離子或金屬簇作為無機部分，橋聯(lián)的有機配體通過自組裝相互連接，由此形成周期性的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。在這種情況下，金屬材料相當于是“錨”，被捕獲的分子會粘附在“錨”上；而有機化合物是將其連接形成多孔結(jié)構(gòu)的“骨架”。

值得一提的是，在Yaghi教授開發(fā)MOF材料的過程中，當時同樣任職于亞利桑那州立大學的Michael O'Keeffe教授也作出了重要貢獻。當時，年輕的Yaghi教授向O'Keeffe教授展示了早期的MOF——MOF-2和MOF-3的結(jié)構(gòu)。O’Keeffe教授最初的反應是：“原子實在是太多了。”那時的MOF材料不穩(wěn)定，并且孔隙率有限。

此后，兩位科學家合作，在《自然》雜志上發(fā)表了標志性的MOF-5。該材料具有前所未有的表面積、孔隙率和穩(wěn)定性，基于MOF-5的復合材料在現(xiàn)代化學中具有廣泛的應用。

伴隨著新策略的出現(xiàn)，新材料呈指數(shù)級不斷涌現(xiàn)，這些新材料在化學上具有以往未知的多樣性。根據(jù)Yaghi教授的介紹，如果將1克MOF材料展開成單個原子尺度的薄片，其能夠延伸至相當于60個網(wǎng)球場的大小。這類材料的孔隙可以非常高效地捕獲并儲存空氣中的二氧化碳，幫助減緩全球變暖的趨勢。由于多孔特性可以將捕獲的氣體壓縮至很小的體積，因此在氣體儲存及分離、清潔水的生產(chǎn)及輸送中具有重要的應用價值。此外，這種多孔結(jié)構(gòu)還可用于催化、能源及醫(yī)藥領域。

“當我還是學生的時候，制造新材料往往是簡單地將不同物質(zhì)混合在一起，最后得到的是大自然給你的東西，所以我們對產(chǎn)物沒有太多的控制能力。但我意識到，如果能像組裝汽車零部件一樣組裝出化學結(jié)構(gòu)，一定會有很大的潛力。我的夢想是能夠以這種簡單、合理的方式制造新材料，掌握對合成產(chǎn)物的控制能力，并能夠在合成后進行調(diào)整、修改，這將是非常強大的功能?！盰aghi教授表示。

北川進教授與Robson教授的故事

北川進于1951年出生，在京都大學獲得化學博士學位后，在近畿大學任職。1998年北川進教授成為京都大學無機化學教授。

北川進教授通過氣體吸附實驗發(fā)現(xiàn)并證實了金屬復合物的孔隙率，是MOF領域的重要開拓者。其開創(chuàng)了MOF的功能化學，發(fā)現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)多孔材料的柔性MOF。北川進教授的成果為多孔材料的新時代開辟了道路，對于解決能源和環(huán)境問題至關(guān)重要。他與其他科學家的發(fā)現(xiàn)有望在材料科學領域帶來根本性創(chuàng)新，對學術(shù)界和工業(yè)界產(chǎn)生廣泛影響。

▲1997年，北川進教授成功制造出具有開放通道貫穿結(jié)構(gòu)的金屬有機框架。（圖片來源：參考資料[1]）

另一位獲獎者Richard Robson教授的故事始于1989年，當時他嘗試以全新方式利用原子的固有特性。他將帶正電荷的銅離子與一種四臂分子結(jié)合——每個分子臂末端都具有易與銅離子結(jié)合的化學基團。當兩者結(jié)合時，它們形成了結(jié)構(gòu)有序、空間開闊的晶體。這就像一顆布滿無數(shù)腔體的鉆石。Robson教授立刻意識到這種分子構(gòu)造的潛力，但其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定且易坍塌。

此后，北川進教授和Omar Yaghi教授為這種構(gòu)建方法奠定了堅實基礎：在1992至2003年間，他們分別取得了一系列突破性發(fā)現(xiàn)。北川進教授證明了氣體可在結(jié)構(gòu)中自由進出，并預言MOF材料可具備柔韌性；Yaghi教授則創(chuàng)制出高度穩(wěn)定的MOF材料，并通過理性設計實現(xiàn)結(jié)構(gòu)修飾，賦予其嶄新的理想特性。

▲Richard Robson教授的靈感源自鉆石結(jié)構(gòu)——其中每個碳原子都與另外四個碳原子相連，類似金字塔形態(tài)。（圖片來源：參考資料[1]）

今日三 位教授所斬獲的諾貝爾化學獎，可謂是實至名歸！這也是對他們學術(shù)及產(chǎn)業(yè)貢獻的極佳認可。

參考資料

[1] They have created new rooms for chemistry, Retrieved October 8, 2025, from https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/popular-information/

[2] Omar Yaghi awarded 2018 Wolf Prize, from https://chemistry.berkeley.edu/news/omar-yaghi-awarded-2018-wolf-prize

[3] Omar Yaghi, from https://wolffund.org.il/2018/12/12/omar-yaghi/

[4] Makoto Fujita, from https://wolffund.org.il/2018/12/12/makoto-fujita-2/

[5] Pioneering chemist Omar Yaghi wins the Frontiers of Knowledge Award in Basic Sciences. Retrieved Oct 4, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/859297

[6] Self-assembly. Retrieved Oct 4, 2023 from https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/features/f_00054.html

[7] Susumu Kitagawa, from https://kuias.kyoto-u.ac.jp/e/profile/kitagawa/

免責聲明：本文僅作信息交流之目的，文中觀點不代表藥明康德立場，亦不代表藥明康德支持或反對文中觀點。本文也不是治療方案推薦。如需獲得治療方案指導，請前往正規(guī)醫(yī)院就診。

版權(quán)說明：歡迎個人轉(zhuǎn)發(fā)至朋友圈，謝絕媒體或機構(gòu)未經(jīng)授權(quán)以任何形式轉(zhuǎn)載至其他平臺。轉(zhuǎn)載授權(quán)請在「藥明康德」微信公眾號回復“轉(zhuǎn)載”，獲取轉(zhuǎn)載須知。