跨越千年的智慧：2000多年前莊子一句話，竟成就了今年的諾貝爾化學(xué)獎

北京時間今晚，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2025年諾貝爾化學(xué)獎授予北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）和奧馬爾·亞基（Omar M. Yaghi）三位科學(xué)家，以表彰他們“發(fā)展了金屬-有機框架（metal-organic frameworks）”。

簡單來說，他們開創(chuàng)了一種全新的分子建筑學(xué)。他們創(chuàng)造的這些結(jié)構(gòu)——金屬-有機框架（簡稱MOFs），內(nèi)部含有巨大的空腔，就像是為分子建造的微型公寓，可以讓其他分子自由進(jìn)出。

圖源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

這個看似深奧的發(fā)現(xiàn)，正在催生無數(shù)奇跡般的應(yīng)用：從沙漠空氣中收集飲用水、從水中提取污染物、高效捕獲二氧化碳、安全儲存氫氣……這項工作，正如諾貝爾獎的宗旨，真正地“為人類帶來了巨大福祉”。

什么是MOFs？給分子造的“精裝公寓”

如果房產(chǎn)中介來介紹MOFs，他可能會說：“這是一間專為水分子量身打造的精美一居室，空間寬敞，拎包入住！”

MOFs的本質(zhì)就是一種由金屬離子（作為“拐角”或“節(jié)點”）和有機分子（作為“連接桿”）搭建起來的高度有序、極其疏松的晶體材料。想象一下用樂高積木搭建一個無限延伸的立體網(wǎng)格，這個網(wǎng)格的內(nèi)部是中空的，就形成了無數(shù)的“房間”。

圖源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

這些“房間”的驚人之處在于，它們提供了巨大的內(nèi)部表面積。僅僅幾克重的MOF材料，其內(nèi)表面積展開后可媲美一個足球場！這意味著它能像超級海綿一樣，吸附巨量的氣體或液體分子。

更神奇的是，科學(xué)家可以通過更換不同的“金屬節(jié)點”和“有機連桿”，像定制家具一樣，精確設(shè)計這些“房間”的大小、形狀和功能，讓它們專門用于識別和捕獲特定的分子。

三位先驅(qū)，一場持續(xù)半個世紀(jì)的化學(xué)革命

這個諾獎故事的背后，是三位科學(xué)家跨越幾十年的接力探索。

1. 靈感源頭：理查德·羅布森

故事始于1974年的墨爾本大學(xué)。當(dāng)時正在備課的理查德·羅布森，需要用木球和木棍為學(xué)生制作分子模型。當(dāng)他看著這些按照原子成鍵規(guī)則打好孔的木球時，一個想法擊中了他：既然原子的成鍵規(guī)則能自動形成正確的分子結(jié)構(gòu)，那么我們能否利用分子的“自組裝”特性，將它們連接成前所未有的宏偉建筑呢？

插圖說明： 理查德·羅布森受到鉆石結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，其中每個碳原子都以金字塔形狀與其他四個碳原子相連。他沒有使用碳，而是使用了銅離子和一個有四個臂的分子，每個臂的末端都有一個腈基。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，它們形成了一個有序且非常寬敞的晶體。

圖源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

這個想法在他腦中盤旋了十多年。直到1989年，他終于將其實施。他用帶正電的銅離子(Cu?)作為節(jié)點，用一種有四條“手臂”的有機分子作為連接桿。當(dāng)兩者混合時，它們并沒有形成一團亂麻，而是如他所料，自發(fā)地組裝成一個類似鉆石結(jié)構(gòu)的巨大、有序且內(nèi)部充滿空腔的晶體。

這是MOFs領(lǐng)域的開山之作。羅布森預(yù)言，這種全新的材料構(gòu)建方式將帶來前所未有的特性。盡管他當(dāng)時的作品還很“脆弱”，卻點燃了化學(xué)界的星星之火。

2. 堅持不懈： 北川進(jìn)

在日本近代大學(xué)， 北川進(jìn)深受中國古代哲學(xué)家莊子“無用之用，方為大用”思想的影響。當(dāng)別人認(rèn)為羅布森的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、沒有前途時，他卻看到了其中的巨大潛力。

插圖說明： 1997年，北川進(jìn)成功創(chuàng)造了一種被開放通道貫穿的金屬有機框架。這些通道可以填充不同類型的氣體。該材料可以釋放這些氣體而結(jié)構(gòu)不受影響。

圖源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

在經(jīng)費申請屢屢被拒的困境中，北川進(jìn)沒有放棄。1997年，他迎來了重大突破。他成功合成了一種穩(wěn)定的三維MOF，其內(nèi)部有貫通的開放通道。這種材料在被清空后結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定，并且可以可逆地吸收和釋放甲烷、氮氣和氧氣等氣體，就像一個可以呼吸的分子肺。

插圖說明：1998年，北川提出金屬有機框架可以制成柔性的。現(xiàn)在有許多柔性MOF，它們可以改變形狀，例如在填充或排空各種物質(zhì)時。

圖源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

更重要的是， 北川進(jìn)在1998年提出了一個關(guān)鍵的遠(yuǎn)見：MOFs可以是柔性的。與堅硬的傳統(tǒng)多孔材料（如沸石）不同，MOFs的有機部分可以使其具備柔韌性，在吸附或釋放分子時改變形狀，這極大地拓展了其應(yīng)用潛力。

3. 集大成者：奧馬爾·亞基

奧馬爾·亞基的化學(xué)之路始于一次偷偷溜進(jìn)學(xué)校圖書館的經(jīng)歷。15歲時，他從約旦移居美國求學(xué)，并立志要用更可控、更理性的方式創(chuàng)造新材料，就像搭樂高一樣。

1995年，他發(fā)表了穩(wěn)定的二維MOF結(jié)構(gòu)，并首次創(chuàng)造了“金屬-有機框架（metal-organic framework）”這個詞。

插圖說明：1999年，亞吉構(gòu)建了一種非常穩(wěn)定的材料MOF-5，它具有立方空間。僅幾克就能擁有一個足球場那么大的表面積。

圖源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

1999年，他向世界展示了MOFs發(fā)展史上的里程碑，MOF-5。這是一種異常堅固且空間巨大的分子建筑。即使在內(nèi)部完全真空的情況下，它也能承受高達(dá)300°C的高溫。其巨大的內(nèi)部表面積（幾克就有一個足球場大）震驚了整個化學(xué)界。

插圖說明：在21世紀(jì)初，亞吉展示了生產(chǎn)整個MOF材料家族的可能性。他改變了分子連接體，從而產(chǎn)生了具有不同性質(zhì)的材料。其中包括16種MOF-5的變體，具有不同尺寸的空腔。

圖源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

隨后，亞基證明了可以像修改藍(lán)圖一樣，對MOFs進(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)計和修飾，創(chuàng)造出一整個“MOF家族”，精確調(diào)控其孔洞大小和化學(xué)性質(zhì)，為特定應(yīng)用量身定制材料。

以下是幾位科學(xué)家研究中關(guān)鍵的有機“連接桿”分子：

MOFs：正在改變未來的神奇材料

得益于三位獲獎?wù)叩牡旎怨ぷ鳎缃褚延袛?shù)以萬計的不同MOFs被設(shè)計和合成出來，它們的應(yīng)用前景超乎想象：

插圖說明：MOF-303可以在夜間從沙漠空氣中捕獲水蒸氣。當(dāng)早晨太陽加熱材料時，飲用水被釋放出來。

MIL-101具有巨大的空腔。它已被用于催化污染水中原油和抗生素的分解。它也可用于儲存大量的氫氣或二氧化碳。

UiO-67可以從水中吸收PFAS，這使其成為水處理和去除污染物的有前途的材料。

ZIF-8已被實驗性地用于從廢水中開采稀土元素。

CALF-20具有非凡的吸收二氧化碳的能力。它正在加拿大的一家工廠進(jìn)行測試。

NU-1501經(jīng)過優(yōu)化，可在常壓下儲存和釋放氫氣。氫氣可用于為車輛提供動力，但在普通的高壓儲罐中，這種氣體極易爆炸。

圖源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

從空氣中取水:亞基的團隊已經(jīng)開發(fā)出一種MOF材料（MOF-303），夜間能從亞利桑那州的沙漠空氣中捕獲水蒸氣，白天在陽光照射下釋放出純凈的飲用水。

碳捕捉:加拿大的一家工廠正在測試一種MOF（CALF-20），用于高效捕獲發(fā)電過程中產(chǎn)生的二氧化碳，對抗全球變暖。清潔能源:研究人員正在優(yōu)化MOF（如NU-1501），用于在常壓下安全地儲存和釋放氫氣，解決氫燃料汽車的儲氫難題。

環(huán)境保護(hù):特定MOFs（如UiO-67）能高效吸附水中的PFAS（一類有害的“永久性化學(xué)品”），為水凈化提供了新方案。

安全防護(hù):MOFs已被用于安全封裝半導(dǎo)體生產(chǎn)所需的有毒氣體，甚至可以分解化學(xué)武器中的有害成分。

從一個關(guān)于分子模型的奇思妙想，到如今能夠解決全球性挑戰(zhàn)的尖端材料，三位諾獎得主為化學(xué)世界開辟了全新的疆域。他們不僅為分子建造了“房間”，更為人類的未來建造了無限可能。

2025年諾貝爾化學(xué)獎得主簡介

北川進(jìn) (SUSUMU KITAGAWA)

1951年出生于日本京都。1979年獲得日本京都大學(xué)博士學(xué)位。日本京都大學(xué)教授。

理查德·羅布森 (RICHARD ROBSON)

1937年出生于英國格拉斯伯恩。1962年獲得英國牛津大學(xué)博士學(xué)位。澳大利亞墨爾本大學(xué)教授。

奧馬爾·M·亞吉 (OMAR M. YAGHI)

1965年出生于約旦安曼。1990年獲得美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校博士學(xué)位。美國加州大學(xué)伯克利分校教授。

參考

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/popular-information/