科普｜為化學(xué)創(chuàng)造“新空間”的金屬有機(jī)框架——2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)成果解讀

  瑞典皇家科學(xué)院8日在宣布2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主時(shí)，用一句富有詩意的話總結(jié)了獲獎(jiǎng)?wù)叩呢暙I(xiàn)：“他們?yōu)榛瘜W(xué)創(chuàng)造了新空間。”

 

  這一榮譽(yù)屬于日本京都大學(xué)的北川進(jìn)、澳大利亞墨爾本大學(xué)的理查德·羅布森和美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的奧馬爾·M·亞吉。三位科學(xué)家因開發(fā)出金屬有機(jī)框架而獲獎(jiǎng)。這項(xiàng)成果不僅拓展了化學(xué)研究的邊界，也為能源、環(huán)境和材料科學(xué)帶來深遠(yuǎn)影響。

 

　　金屬有機(jī)框架是什么

 

  金屬有機(jī)框架是一種精巧的“分子建筑”。它由金屬離子充當(dāng)“角點(diǎn)”，通過長鏈有機(jī)碳基分子作為“梁柱”相互連接，構(gòu)成規(guī)則整齊的三維晶體結(jié)構(gòu)。框架內(nèi)部布滿寬敞的空腔，氣體或液體分子可以在其中自由進(jìn)出。這種結(jié)構(gòu)可用于從沙漠空氣中提取水分、捕獲二氧化碳、儲(chǔ)存有毒氣體或催化化學(xué)反應(yīng)等。

 

  有的金屬有機(jī)框架材料具備極強(qiáng)的吸附與儲(chǔ)存能力，可容納大量氣體分子，如氫氣、甲烷或二氧化碳，因此在清潔能源儲(chǔ)運(yùn)和碳捕獲等領(lǐng)域表現(xiàn)突出。此外，這類材料在吸附或釋放氣體時(shí)會(huì)發(fā)生可逆形變，表現(xiàn)出柔性特征，能伸縮而不破壞既有框架。

 

  這種由金屬離子與有機(jī)分子相互連接形成的結(jié)構(gòu)，既有穩(wěn)固框架，又具備設(shè)計(jì)靈活性。科學(xué)家可以選擇不同的金屬離子和有機(jī)分子，像建筑師那樣“定制”材料的性質(zhì)，搭建出具有不同性能的金屬有機(jī)框架。

 

  金屬有機(jī)框架的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)化學(xué)的研究思路。它不僅意味著一類新材料的誕生，更代表了一種方法論的突破——化學(xué)家可以在分子層面主動(dòng)“規(guī)劃空間”，用理性設(shè)計(jì)取代以往依賴偶然發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)探索。

 

　　“分子宮殿”終成現(xiàn)實(shí)

 

  20世紀(jì)80年代，羅布森嘗試以一種新方式來利用原子的固有屬性。他將帶正電的銅離子與一個(gè)具有四條“臂”的有機(jī)分子結(jié)合，每個(gè)“臂”的末端都帶有能吸引銅離子的化學(xué)基團(tuán)。兩者結(jié)合后就形成一個(gè)有序且內(nèi)部空曠的晶體，宛如一座“分子宮殿”。羅布森立即意識(shí)到了這一分子結(jié)構(gòu)的潛力。但早期材料結(jié)構(gòu)脆弱，容易坍塌。

 

  1989年，羅布森在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上發(fā)表了這項(xiàng)成果并提出，這種設(shè)計(jì)思路可能為構(gòu)建具有全新特性的材料提供路徑。然而，當(dāng)時(shí)多數(shù)化學(xué)家認(rèn)為他的構(gòu)想缺乏實(shí)用價(jià)值。

 

  為羅布森的愿景奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的是北川進(jìn)和奧馬爾·M·亞吉。1992年至2003年間，他們分別取得了一系列突破性成果。北川進(jìn)證明氣體可以自由進(jìn)出金屬有機(jī)框架而不破壞結(jié)構(gòu)，揭示了其柔性特征；奧馬爾·M·亞吉?jiǎng)t創(chuàng)造出高度穩(wěn)定的金屬有機(jī)框架，并證明可以通過理性設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行調(diào)控，使其具備新的理想性能。1999年，奧馬爾·M·亞吉合成出經(jīng)典的MOF-5材料，其內(nèi)部空間巨大且能在300攝氏度下保持穩(wěn)定。

 

  在此基礎(chǔ)上，化學(xué)家們已構(gòu)建出數(shù)以萬計(jì)不同的金屬有機(jī)框架材料，其中許多材料有望幫助人類應(yīng)對(duì)重大挑戰(zhàn)。

 

　　讓分子為人類服務(wù)

 

  諾貝爾化學(xué)委員會(huì)評(píng)委、斯德哥爾摩大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)系教授鄒曉冬接受新華社記者采訪時(shí)表示，這項(xiàng)成果是化學(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)，獲獎(jiǎng)?wù)呤状螌?shí)現(xiàn)了金屬離子與有機(jī)分子的有序結(jié)合，成功設(shè)計(jì)出具有較大孔洞的晶體結(jié)構(gòu)，為合成具有可控空間的化合物提供了新方法。今天的研究者正利用這一技術(shù)，為人類面臨的資源、能源與環(huán)境挑戰(zhàn)尋找解決方案。

 

  在環(huán)境領(lǐng)域，金屬有機(jī)框架材料能吸附二氧化碳，減少溫室氣體排放；能從水中分離出全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）等“永久污染物”；還能分解抗生素殘留及有害氣體。在能源領(lǐng)域，它們可用于儲(chǔ)存氫氣和甲烷，為新能源交通提供更安全高效的儲(chǔ)氣方式；還可用于催化反應(yīng)和電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化。

 

  “目前該領(lǐng)域研究正快速發(fā)展，全球已有大量科研團(tuán)隊(duì)投入其中。據(jù)我了解，僅中國就有超過100個(gè)實(shí)驗(yàn)室在開展相關(guān)研究。”鄒曉冬說。

 

  金屬有機(jī)框架展現(xiàn)了化學(xué)的創(chuàng)造力與社會(huì)價(jià)值。三位獲獎(jiǎng)?wù)哂盟麄兊陌l(fā)現(xiàn)，為化學(xué)打開了一扇通向未來的“新大門”，讓分子的世界更寬廣，也讓人類在科學(xué)的空間中擁有了更多可能。