科普｜為化學創(chuàng)造“新空間”的金屬有機框架——2025年諾貝爾化學獎成果解讀

  瑞典皇家科學院8日在宣布2025年諾貝爾化學獎得主時，用一句富有詩意的話總結了獲獎者的貢獻：“他們?yōu)榛瘜W創(chuàng)造了新空間。”

 

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

 

　　金屬有機框架是什么

 

  金屬有機框架是一種精巧的“分子建筑”。它由金屬離子充當“角點”，通過長鏈有機碳基分子作為“梁柱”相互連接，構成規(guī)則整齊的三維晶體結構?？蚣軆炔坎紳M寬敞的空腔，氣體或液體分子可以在其中自由進出。這種結構可用于從沙漠空氣中提取水分、捕獲二氧化碳、儲存有毒氣體或催化化學反應等。

 

  有的金屬有機框架材料具備極強的吸附與儲存能力，可容納大量氣體分子，如氫氣、甲烷或二氧化碳，因此在清潔能源儲運和碳捕獲等領域表現(xiàn)突出。此外，這類材料在吸附或釋放氣體時會發(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分子相互連接形成的結構，既有穩(wěn)固框架，又具備設計靈活性?？茖W家可以選擇不同的金屬離子和有機分子，像建筑師那樣“定制”材料的性質，搭建出具有不同性能的金屬有機框架。

 

  金屬有機框架的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)化學的研究思路。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——化學家可以在分子層面主動“規(guī)劃空間”，用理性設計取代以往依賴偶然發(fā)現(xiàn)的實驗探索。

 

　　“分子宮殿”終成現(xiàn)實

 

  20世紀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具有四條“臂”的有機分子結合，每個“臂”的末端都帶有能吸引銅離子的化學基團。兩者結合后就形成一個有序且內部空曠的晶體，宛如一座“分子宮殿”。羅布森立即意識到了這一分子結構的潛力。但早期材料結構脆弱，容易坍塌。

 

  1989年，羅布森在《美國化學學會雜志》上發(fā)表了這項成果并提出，這種設計思路可能為構建具有全新特性的材料提供路徑。然而，當時多數化學家認為他的構想缺乏實用價值。

 

  為羅布森的愿景奠定堅實基礎的是北川進和奧馬爾·M·亞吉。1992年至2003年間，他們分別取得了一系列突破性成果。北川進證明氣體可以自由進出金屬有機框架而不破壞結構，揭示了其柔性特征；奧馬爾·M·亞吉則創(chuàng)造出高度穩(wěn)定的金屬有機框架，并證明可以通過理性設計對其進行調控，使其具備新的理想性能。1999年，奧馬爾·M·亞吉合成出經典的MOF-5材料，其內部空間巨大且能在300攝氏度下保持穩(wěn)定。

 

  在此基礎上，化學家們已構建出數以萬計不同的金屬有機框架材料，其中許多材料有望幫助人類應對重大挑戰(zhàn)。

 

　　讓分子為人類服務

 

  諾貝爾化學委員會評委、斯德哥爾摩大學結構化學系教授鄒曉冬接受新華社記者采訪時表示，這項成果是化學領域的重要發(fā)現(xiàn)，獲獎者首次實現(xiàn)了金屬離子與有機分子的有序結合，成功設計出具有較大孔洞的晶體結構，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，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)境領域，金屬有機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（PFAS）等“永久污染物”；還能分解抗生素殘留及有害氣體。在能源領域，它們可用于儲存氫氣和甲烷，為新能源交通提供更安全高效的儲氣方式；還可用于催化反應和電化學能量轉化。

 

  “目前該領域研究正快速發(fā)展，全球已有大量科研團隊投入其中。據我了解，僅中國就有超過100個實驗室在開展相關研究。”鄒曉冬說。

 

  金屬有機框架展現(xiàn)了化學的創(chuàng)造力與社會價值。三位獲獎者用他們的發(fā)現(xiàn)，為化學打開了一扇通向未來的“新大門”，讓分子的世界更寬廣，也讓人類在科學的空間中擁有了更多可能。