跨越千年的智慧：2000多年前庄子一句话，竟成就了今年的诺贝尔化学奖（组图）

北京时间今晚，瑞典皇家科学院宣布，将2025年诺贝尔化学奖授予北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）和奥马尔·亚基（Omar M. Yaghi）三位科学家，以表彰他们“发展了金属-有机框架（metal-organic frameworks）”。

简单来说，他们开创了一种全新的分子建筑学。他们创造的这些结构——金属-有机框架（简称MOFs），内部含有巨大的空腔，就像是为分子建造的微型公寓，可以让其他分子自由进出。

图源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

这个看似深奥的发现，正在催生无数奇迹般的应用：从沙漠空气中收集饮用水、从水中提取污染物、高效捕获二氧化碳、安全储存氢气……这项工作，正如诺贝尔奖的宗旨，真正地“为人类带来了巨大福祉”。

什么是MOFs？给分子造的“精装公寓”

如果房产中介来介绍MOFs，他可能会说：“这是一间专为水分子量身打造的精美一居室，空间宽敞，拎包入住！”

MOFs的本质就是一种由金属离子（作为“拐角”或“节点”）和有机分子（作为“连接杆”）搭建起来的高度有序、极其疏松的晶体材料。想象一下用乐高积木搭建一个无限延伸的立体网格，这个网格的内部是中空的，就形成了无数的“房间”。

图源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

这些“房间”的惊人之处在于，它们提供了巨大的内部表面积。仅仅几克重的MOF材料，其内表面积展开后可媲美一个足球场！这意味着它能像超级海绵一样，吸附巨量的气体或液体分子。

更神奇的是，科学家可以通过更换不同的“金属节点”和“有机连杆”，像定制家具一样，精确设计这些“房间”的大小、形状和功能，让它们专门用于识别和捕获特定的分子。

这个诺奖故事的背后，是三位科学家跨越几十年的接力探索。

故事始于1974年的墨尔本大学。当时正在备课的理查德·罗布森，需要用木球和木棍为学生制作分子模型。当他看着这些按照原子成键规则打好孔的木球时，一个想法击中了他：既然原子的成键规则能自动形成正确的分子结构，那么我们能否利用分子的“自组装”特性，将它们连接成前所未有的宏伟建筑呢？

插图说明： 理查德·罗布森受到钻石结构的启发，其中每个碳原子都以金字塔形状与其他四个碳原子相连。他没有使用碳，而是使用了铜离子和一个有四个臂的分子，每个臂的末端都有一个腈基。这是一种能被铜离子吸引的化合物。当这些物质结合时，它们形成了一个有序且非常宽敞的晶体。

图源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

这个想法在他脑中盘旋了十多年。直到1989年，他终于将其实施。他用带正电的铜离子(Cu⁺)作为节点，用一种有四条“手臂”的有机分子作为连接杆。当两者混合时，它们并没有形成一团乱麻，而是如他所料，自发地组装成一个类似钻石结构的巨大、有序且内部充满空腔的晶体。

这是MOFs领域的开山之作。罗布森预言，这种全新的材料构建方式将带来前所未有的特性。尽管他当时的作品还很“脆弱”，却点燃了化学界的星星之火。

在日本京都大学，  北川进深受中国古代哲学家庄子“无用之用，方为大用”思想的影响。当别人认为罗布森的结构不稳定、没有前途时，他却看到了其中的巨大潜力。

插图说明： 1997年，北川进成功创造了一种被开放通道贯穿的金属有机框架。这些通道可以填充不同类型的气体。该材料可以释放这些气体而结构不受影响。

图源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

在经费申请屡屡被拒的困境中，北川进没有放弃。1997年，他迎来了重大突破。他成功合成了一种稳定的三维MOF，其内部有贯通的开放通道。这种材料在被清空后结构依然稳定，并且可以可逆地吸收和释放甲烷、氮气和氧气等气体，就像一个可以呼吸的分子肺。

插图说明：1998年，北川提出金属有机框架可以制成柔性的。现在有许多柔性MOF，它们可以改变形状，例如在填充或排空各种物质时。

图源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

更重要的是，  北川进在1998年提出了一个关键的远见：MOFs可以是柔性的。与坚硬的传统多孔材料（如沸石）不同，MOFs的有机部分可以使其具备柔韧性，在吸附或释放分子时改变形状，这极大地拓展了其应用潜力。

奥马尔·亚基的化学之路始于一次偷偷溜进学校图书馆的经历。15岁时，他从约旦移居美国求学，并立志要用更可控、更理性的方式创造新材料，就像搭乐高一样。

1995年，他发表了稳定的二维MOF结构，并首次创造了“金属-有机框架（metal-organic framework）”这个词。

插图说明：1999年，亚吉构建了一种非常稳定的材料MOF-5，它具有立方空间。仅几克就能拥有一个足球场那么大的表面积。

图源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

1999年，他向世界展示了MOFs发展史上的里程碑，MOF-5。这是一种异常坚固且空间巨大的分子建筑。即使在内部完全真空的情况下，它也能承受高达300°C的高温。其巨大的内部表面积（几克就有一个足球场大）震惊了整个化学界。

插图说明：在21世纪初，亚吉展示了生产整个MOF材料家族的可能性。他改变了分子连接体，从而产生了具有不同性质的材料。其中包括16种MOF-5的变体，具有不同尺寸的空腔。

图源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

随后，亚基证明了可以像修改蓝图一样，对MOFs进行系统性的设计和修饰，创造出一整个“MOF家族”，精确调控其孔洞大小和化学性质，为特定应用量身定制材料。

以下是几位科学家研究中关键的有机“连接杆”分子：

MOFs：正在改变未来的神奇材料

得益于三位获奖者的奠基性工作，如今已有数以万计的不同MOFs被设计和合成出来，它们的应用前景超乎想象：

插图说明：MOF-303可以在夜间从沙漠空气中捕获水蒸气。当早晨太阳加热材料时，饮用水被释放出来。

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。它也可用于储存大量的氢气或二氧化碳。

UiO-67可以从水中吸收PFAS，这使其成为水处理和去除污染物的有前途的材料。

ZIF-8已被实验性地用于从废水中开采稀土元素。

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厂进行测试。

NU-1501经过优化，可在常压下储存和释放氢气。氢气可用于为车辆提供动力，但在普通的高压储罐中，这种气体极易爆炸。图源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

从空气中取水:亚基的团队已经开发出一种MOF材料（MOF-303），夜间能从亚利桑那州的沙漠空气中捕获水蒸气，白天在阳光照射下释放出纯净的饮用水。

碳捕捉:加拿大的一家工厂正在测试一种MOF（CALF-20），用于高效捕获发电过程中产生的二氧化碳，对抗全球变暖。清洁能源:研究人员正在优化MOF（如NU-1501），用于在常压下安全地储存和释放氢气，解决氢燃料汽车的储氢难题。

环境保护:特定MOFs（如UiO-67）能高效吸附水中的PFAS（一类有害的“永久性化学品”），为水净化提供了新方案。

安全防护:MOFs已被用于安全封装半导体生产所需的有毒气体，甚至可以分解化学武器中的有害成分。

从一个关于分子模型的奇思妙想，到如今能够解决全球性挑战的尖端材料，三位诺奖得主为化学世界开辟了全新的疆域。他们不仅为分子建造了“房间”，更为人类的未来建造了无限可能。

北川进 (SUSUMU KITAGAWA)1951年出生于日本京都。1979年获得日本京都大学博士学位。日本京都大学教授。

理查德·罗布森 (RICHARD ROBSON)1937年出生于英国格拉斯伯恩。1962年获得英国牛津大学博士学位。澳大利亚墨尔本大学教授。

奥马尔·M·亚吉 (OMAR M. YAGHI)1965年出生于约旦安曼。1990年获得美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士学位。美国加州大学伯克利分校教授。