2025年诺贝尔化学奖：金属有机框架的革命性突破与未来展望

2025年，诺贝尔化学奖荣归三位卓越科学家：日本京都大学的北川进（Susumu Kitagawa）、澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森（Richard Robson）以及美国加州大学伯克利分校的奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi）。

他们获奖的核心贡献是“开创并发展了金属有机框架（metal-organic frameworks，MOF）”，这标志着一门全新的分子建筑学诞生。

金属有机框架究竟是何方神圣？

这是一种由金属离子与有机分子通过配位键构建的三维多孔材料——通俗而言，它就像化学家用“分子积木”精心搭建的微型宫殿。在这种结构中，存在无数纳米尺度的“房间”，每个“房间”都能特异性容纳特定分子。

这些积木单元通过配位作用自动组装并固定，整个过程称为“自组装”，类似于摇晃一盒积木后它们自动堆叠成城堡，展现了分子层面的智能设计。

这种“积木房间”的构建极具自由度，成为一种可在分子级别上精确调控的“定制化超材料”。只需更换构建单元，就能让“房间”适应各种分子，从而释放出巨大的应用潜能。

三位获奖者的里程碑贡献

理查德·罗布森：构想先驱

受木质分子模型启发，理查德·罗布森早在1974年就萌生了一个前瞻性设想：利用分子与离子间的固有吸引力，让它们自动排列成预设的有序结构。

在当时，这被视为天方夜谭。多数化学家认为，将不同分子和离子混合，很可能只会得到无序的混沌产物。

直到1989年，罗布森才将这一设想变为现实。他设计并合成了一种由一价铜离子和有机分子构成的骨架，其结构类比钻石，但内部蕴含大量空腔。

理查德·罗伯森借鉴钻石结构，其中每个碳原子与四个碳原子连接成四面体。他将碳替换为铜离子和一个四臂分子，每个臂末端带腈基，这是一种能被铜离子强烈吸引的化合物。当这些组分结合时，它们形成了一种高度有序且拥有充裕空间的晶体。丨nobelprize.org

1990年，罗布森进行了一项关键实验，证明了“分子房间”的应用可行性。他证实“房间”内的物质可被置换和释放，而整体框架结构保持完整。

然而，此时的“分子房间”仍显脆弱，尚未达到实用化标准。

北川进：打造稳固“房间”

“分子房间”易坍塌的难题，在北川进和奥马尔·亚吉的后续研究中迎刃而解。

1997年，北川进取得首个重大突破。他采用钴、镍或锌离子，与有机分子“4,4"-联吡啶”结合，成功制备出稳定且具有三维结构的金属有机框架。最关键的是，当材料中的水分被移除后，框架依然坚挺不垮。其内部开放的通道可被甲烷、氮气、氧气等多种气体填充，并能可逆地吸附和脱附这些气体，而结构毫发无损。

1997年，北川进构建了一种布满开放通道的金属有机框架，这些通道能容纳不同类型的气体。材料可在结构不受损的前提下释放气体。丨nobelprize.org

此外，北川进还阐述了MOF材料相较于传统吸附材料（如沸石）的独特优势。他强调，MOF新材料具有高度可设计性，能精确调控孔洞尺寸、形状和功能。同时，这种材料可呈现柔性特征，从而拓展了应用场景。

1998年，北川进提出金属有机框架可实现柔性化。目前已有多种柔性金属有机框架，它们能在被填充或清空时改变形状。丨nobelprize.org

奥马尔·亚吉：创立“网格化学”体系

1995年，亚吉发表了一篇划时代论文。他用铜或钴离子与有机分子连接，构建出二维网状结构。该结构异常稳定，可耐受350℃高温而不分解。正是在这篇论文中，他首次提出并定义了“金属有机框架（metal-organic framework）”这一术语，该名称沿用至今，成为领域的标准称谓。

1999年，他发布了轰动学界的成果——名为MOF-5的材料。这种材料展现出卓越的稳定性和前所未有的内部空间。

1999年，亚吉开发了极其稳定的MOF-5材料，它具有立方体结构，仅需几克其表面积就堪比一个足球场。丨nobelprize.org

而他最杰出的成就，是为整个领域奠定了系统性的设计哲学和构建方法。亚吉巧妙融合传统沸石化学中的“次级结构单元”概念，并创新性地应用于MOF领域，最终发展出完整的“分子建筑学”体系。

21世纪初，亚吉在《科学》和《自然》等顶级期刊连续发文，正式提出“网格化学（Reticular Chemistry）”这一革命性理念。亚吉向全球化学家宣告：我们可以告别“试错法”，通过理性设计精准合成任何结构的MOFs。

21世纪初，亚吉证明了可合成整个家族的金属有机框架材料。他通过改变分子连接方式，获得了特性各异的材料；其中包括16种MOF-5变体，其空腔大小各不相同。丨nobelprize.org

金属有机框架如何重塑世界？

通过定制化设计“积木房间”，让特定化学分子“入住”，金属有机框架材料实现了多元化应用。

各式MOF材料可用于吸附PFAS、捕获二氧化碳、储存氢气、收集水蒸气等。丨nobelprize.org

例如，它能够从干旱空气中“汲取”饮用水。

亚吉团队开发了名为MOF-303的材料。在湿度较低的夜晚，MOF-303会像海绵一样自动吸附空气中的水蒸气分子，并将其锁在“分子房间”内。次日阳光照射时，材料受热释放水分子，凝结为纯净饮用水。这项技术为全球旱区的水资源短缺带来了新希望。

另一种名为CALF-20的MOF材料表现出对二氧化碳的超高吸附能力和选择性。未来它有望应用于碳捕获，助力减缓温室气体排放引发的气候变化。

MOF材料还能高效储存氢气分子，解决这种清洁燃料在安全储运方面的难题。科学家已设计出如NU-1501的MOF，能在常压下安全、高效地储存和释放大量氢气，为氢燃料电池汽车的推广铺平道路。

而名为UiO-67的MOF材料，可精准吸附水中的污染物PFAS，为水净化和环境修复提供强大工具。

MOF材料的应用领域持续扩展，在催化、药物递送、农业科技等方面展现出广阔前景。