2025年诺贝尔化学奖：金属有机框架引领分子建筑学革命

2025年的诺贝尔化学奖，授予了三位杰出的科学家：北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）以及奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi），以表彰他们“发展了金属有机框架（metal-organic frameworks，MOF）”，开创了一种全新的分子建筑学。

金属有机框架，这种由金属和有机分子构建而成的三维材料，就像化学家用“分子积木”拼搭成的迷你房子。它拥有许多小小的“房间”，每个“房间”都可以容纳某种分子。

这些积木零件通过配位结合固定到一起，自动进行拼搭，这个过程被称为“自组装”，就像摇动一盒积木，自动变成城堡一样。这种“积木房间”的拼搭十分自由，是一种能够在分子尺度上任意设计的“超级材料”，只需更换零件，就能让小“房间”容纳各种截然不同的分子，具有广阔的应用潜力。

三位获奖者的卓越贡献

理查德·罗布森：提出分子自组装设想

受到木质拼装分子模型的启发，1974年理查德·罗布森就设想利用分子与离子之间的固有吸引力，让它们自动形成预先设计好的有序结构。

直到1989年，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，这个结构与钻石类似，但内部却充满了许多空腔。1990年，他证明“房间”中的物质可以进出和更换，同时整个框架结构保持不倒。

北川进：创造稳定MOF材料

“分子房间”太过脆弱的问题在北川进的努力下得到解决。1997年，他成功创造出一种三维的、稳定的金属有机框架，这种材料可以在其结构不受影响的情况下释放气体。

除此之外，他还提出了MOF材料不同于传统吸附材料的独特潜力，这种新材料还可以制作成柔软的形态，因此有更多应用可能。

奥马尔·亚吉：建立“网格化学”

1995年，亚吉发表了一篇里程碑式的论文，他用铜或钴离子与有机分子结合，制造出了二维的网状结构。他首次创造并使用了“金属有机框架”这个名字，并发展出了一套完整的“分子建筑学”。

21世纪初，他正式提出了“网格化学”这一革命性概念，告诉全世界的化学家：我们完全可以告别“碰运气”，通过理性设计来精确建造出任何结构的MOFs。

金属有机框架如何改变世界？

通过设计不同的“积木房间”，让特定的化学分子“入住”，金属有机框架材料可以实现非常多种类的应用。

它可以从沙漠空气中“变出”饮用水，也可以用于碳捕捉和氢气储存。此外，MOF材料在催化剂、药物载体、农业等领域也有许多应用潜力。