讓積木自動變成房子，從沙漠中變出水，2025化學諾獎的金屬有機框架有多神？
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2025年的諾貝爾化學獎，授予了三位傑出的科學家：來自日本京都大學的北川進（Susumu Kitagawa）、澳大利亞墨爾本大學的理查德·羅布森（Richard Robson）以及美國加州大學伯克利分校的奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）。
他們獲獎的理由是“發展了金屬有機框架（metal-organic frameworks，MOF）”，開創了一種全新的分子建築學。
“金屬有機框架”到底是什麼？
這是一種由金屬和有機分子構建而成的三維材料——簡單說，它就像是化學家用“分子積木”拼搭成的迷你房子。在這種材料中，有許多小小的“房間”，每個“房間”都可以容納某種分子。
這些積木零件依靠配位結合的作用固定到一起。它們的拼搭過程是自動進行的，這種過程被稱爲“自組裝”，它就像是搖動一盒積木，然後積木自動就變成了城堡。
這種“積木房間”的拼搭十分自由，它是一種能夠在分子尺度上任意設計的“超級材料”。只要更換零件，就能讓小“房間”容納各種截然不同的分子，由此產生廣闊的應用潛力。
三位獲獎者都做了什麼？
理查德·羅布森：提出了大膽的設想
受到木質拼裝分子模型的啓發，1974年理查德·羅布森就產生了利用分子與離子之間固有的吸引力，讓它們自動形成預先設計好的有序結構的設想。
在當時，這還是一個相當超前的想法。在大多數化學家看來，把一堆不同的分子和離子扔進燒瓶，得到的結果很可能只是一團亂麻而已。
直到1989年，羅布森終於將這個醞釀已久的想法付諸實踐。他設計併合成了一種由一價銅離子和有機分子構成的骨架。這個結構與鑽石類似，但內部卻充滿了許多空腔。
理查德·羅伯森受到鑽石結構的啓發，鑽石中的每個碳原子都與其他四個碳原子連接成金字塔狀。他將碳替換爲銅離子和一個有四個臂的分子，每個臂的末端都有一個腈。這是一種能被銅離子吸引的化合物。當這些物質結合在一起時，它們形成了一種有序且空間非常充足的晶體。丨nobelprize.org
在1990年，羅布森緊接着進行了一個關鍵實驗，證明了他的“分子房間”具有應用潛力。他證明“房間”中的物質可以進出和更換，同時整個框架結構保持不倒。
不過，此時他的“分子房間”依然太過脆弱，還不能真的投入使用。
北川進：創造了穩定的“房間”
“分子房間”太過脆弱、容易倒塌的問題，在北川進和奧馬爾·亞吉的後續研究中得到了解決。
1997年，北川進迎來了第一個重大突破。他使用鈷、鎳或鋅離子，搭配一種名爲“4,4''-聯吡啶”的有機分子，成功創造出一種三維的、穩定的金屬有機框架。最關鍵的是，當他將材料中的水分烘乾後，這個框架沒有坍塌。它內部開放的通道，可以被各種氣體（如甲烷、氮氣和氧氣）填充，並且能夠可逆地吸收和釋放這些氣體，自身結構則完好無損。
1997年，北川進成功構建了一種金屬有機框架，其內部佈滿開放的通道。這些通道可以填充不同類型的氣體。材料可以在其結構不受影響的情況下釋放這些氣體。丨nobelprize.org
除此之外，北川進還提出了MOF材料不同於傳統吸附材料的獨特潛力。他提出，和傳統的多孔材料沸石等不同，MOF新材料具有高度可設計性的優點，能夠精確地定製孔洞大小、形狀和功能。除此之外，這種新材料還可以製作成柔軟的形態，因此有更多應用可能。
1998年，北川進提出金屬有機框架可以實現柔性化。目前已有許多柔性金屬有機框架，它們可以改變形狀，例如它們被各種物質填充或清空時。丨nobelprize.org
奧馬爾·亞吉：建立“網格化學”
1995年，亞吉發表了一篇里程碑式的論文。他用銅或鈷離子與有機分子結合，也製造出了二維的網狀結構。這種結構非常穩定，可以加熱到350℃而不分解。正是在這篇論文中，他首次創造並使用了“金屬有機框架（metal-organic framework）”這個名字，這個術語從此被沿用至今，定義了整個領域。
1999年，他向世界扔出了一顆“重磅炸彈”——一個名爲MOF-5的材料。這種材料的穩定性和內部空間都非常驚人。
1999年，亞吉構建了一種非常穩定的材料：MOF-5。它具有立方體結構，只需幾克就能佔據一個足球場大小的面積。丨nobelprize.org
而他最偉大的成就，是爲整個領域提供了一套系統性的設計哲學和建造方法論。亞吉巧妙地借鑑了傳統沸石化學中的“次級結構單元”思想，並將其創造性地應用到這個全新的領域，最終發展出了一套完整的“分子建築學”。
在21世紀初，亞吉在《科學》和《自然》等頂級期刊上連續發表文章，正式提出了“網格化學（Reticular Chemistry）”這一革命性概念。亞吉告訴全世界的化學家：我們完全可以告別“碰運氣”了！我們可以通過理性設計，來精確地建造出我們想要的任何結構的MOFs。
21世紀初，亞吉證明了可以合成所有家族的金屬有機框架材料。他改變了分子連接方式，獲得了具有不同特性的材料；其中包括16種MOF-5變體，其空腔大小不一。丨nobelprize.org
金屬有機框架如何改變世界？
通過設計不同的“積木房間”，讓特定的化學分子“入住”其中，金屬有機框架材料可以實現非常多種類的應用。
各種不同的MOF材料，它們可以被用於吸收PFAS、吸收二氧化碳、儲存氫氣、捕獲水蒸氣等。丨nobelprize.org
比如說，它可以從沙漠空氣中“變出”飲用水。
亞吉的研究團隊開發了一種名爲MOF-303的材料。在溼度較低的夜晚，MOF-303會像海綿一樣，自動從空氣中捕捉稀薄的水蒸氣分子，並將它們“鎖”在自己的“分子房間”裏。當第二天太陽昇起，陽光加熱材料，這些被捕獲的水分子就會被釋放出來，凝結成純淨的飲用水。這項技術爲解決全球乾旱地區的缺水問題帶來了曙光。
另外一種名爲CALF-20的MOF材料展現出了對二氧化碳超強的吸附能力和選擇性。未來它有望用於碳捕捉，減少溫室氣體排放帶來的氣候變化問題。
MOF材料還可以用於結合氫氣分子，解決這種氣體清潔燃料難以安全儲存和運輸的問題。科學家們已經設計出像NU-1501這樣的MOF，它能在常壓下安全、高效地儲存和釋放大量氫氣。這爲氫燃料電池汽車的普及掃清了一大障礙。
而名叫UiO-67的MOF材料，則可以精準地從水中吸附污染物PFAS，爲水淨化和環境修復提供了強有力的工具。
MOF材料可以應用的領域還在不斷擴張，它在催化劑、藥物載體、農業等方面都有許多應用潛力。
信息來源：諾貝爾官網新聞稿
編譯：果殼翻譯班
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