今年10月8日，瑞典皇家科学院决定将2025年诺贝尔化学奖授予日本京都大学的北川进、澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森和美国加利福尼亚大学伯克利分校的奥马尔·亚吉，以表彰他们在金属有机框架开发领域做出的贡献。

罗布森的“分子积木梦”

三位获奖者开创性地设计出一类具有巨大内部空间的分子结构，气体或液体分子可以自由进出其间，这种结构被称为金属有机框架（MOF）。具有这种结构的新型材料能够从沙漠空气中收集水分、捕获二氧化碳、储存有毒气体，甚至能催化化学反应，被誉为“分子级积木”的奇迹。

1989年，澳大利亚化学家理查德·罗布森首次以全新的方式组装出一种前所未有的化学基团分子—这便是金属有机框架结构的“1.0原型”。有趣的是，这一灵感源自课堂上的一次演示。1974年，在墨尔本大学讲授化学课的罗布森正在制作分子模型—按照传统，用木球代表原子，用木棒代表化学键。那堂课上，他突然想到：能否让原子或分子像拼积木一样，依照自身的化学特性自动连接，形成全新的分子结构？

十几年后，他开始了真正的实验探索。罗布森让带正电的铜离子与一种四臂分子结合，结果形成了一种奇特的晶体结构：每一条分子臂的末端都由铜离子吸附，当这些单元有序组合时，便生成了一个内部多空腔、形似钻石的晶体。1989年，罗布森在学术期刊《美国化学会志》上发表了这项成果，并大胆预言：这类具有三维开放结构的分子材料，将在未来发挥巨大作用。事实证明，这正是金属有机框架结构的雏形，他也因此被誉为该领域从“零到一”的开创者。

在此之后，罗布森又继续合成出多种拥有内部空腔的分子晶体，并证明这些结构中的离子可以互换，从而允许不同物质自由进出。由此，人们能够根据需要“定制”不同类型的分子晶体。那时，他判断这种材料最有潜力成为催化剂，可用于多种化学反应。

然而，在该研究的早期阶段，罗布森创造的分子结构虽然美妙，却并不稳定，在空气或溶液中容易崩解。此后，日本化学家北川进和美国化学家奥马尔·亚吉为这一问题提供了关键解决方案。1992—2003年，他们分别取得了一系列突破，使这种“分子积木”走出实验室，走向实际应用领域。

北川进和亚吉：探索分子孔洞的秘密

20世纪90年代，日本近畿大学的化学家北川进第一次接触到金属有机框架结构的“1.0原型”。那时，多数研究者认为这种材料“不稳定”“无实际用途”，但北川进坚信，科学发现往往就藏在那些看似“无用”的事物中。于是，他决定专注研究这种被同行忽视的新材料。

1992年，北川进设计出一种二维分子材料，分子间形成能够容纳丙酮分子的孔洞。虽然功能有限，但它代表了一种全新的化学思维：让金属离子成为“支点”，以有机分子为“桥梁”，在纳米尺度上搭建可控的分子网络。

1997年，北川进带领科研团队取得关键突破。他们利用钴、镍、锌离子与4，4′-联吡啶分子构建出三维金属有机框架结构，在分子之间形成交错的立体孔洞。在实验中，当去除结构中的水分后，这些孔洞依然保持稳定，能吸附并释放甲烷、氧气、氮气等气体而不变形。这项成果不仅验证并发展了罗布森的早期设想，也证明了这种结构的现实可行性。

当时，一些研究者质疑这种方法的必要性—既然天然沸石已经能实现气体吸附与分子筛功能，为何还要重新研发类似的结构呢？

北川进的回答清晰有力：金属有机框架结构与沸石不同，它的组成“可编程”，既可以选用不同金属和有机分子来定制结构，又具有柔韧性与可设计性。可以说，北川进最重要的贡献是首次证明气体可以流入并流出金属有机框架结构，同时预言这种材料将在未来变得更加灵活多变。

与此同时，来自约旦、后来旅居美国的化学家奥马尔·亚吉也在这一领域取得突破。他不仅让金属有机框架结构更加稳定，还证明通过合理的设计可以赋予材料新的、理想的特性。

在罗布森和北川进的研究基础上，亚吉进一步完善了与该研究相关的基本概念。1995年，他发表论文《含大矩形孔道的金属有机框架的水热合成》，首次正式提出“金属有机框架”（MOF）这一概念，并将其定义为由金属节点和有机配体组成、具有规则空腔的晶体结构。此外，他的团队通过水热反应构筑出结构稳定、孔道有序的MOF晶体，展示了这种材料的可设计性与永久孔隙性。

1999年，亚吉研制出一种性能优异的金属有机框架材料（MOF-5）。这种材料有两大特点：一是结构极其稳定，即使在300℃的高温下也不会分解；二是内部空间巨大，仅几克MOF-5的总内表面积就相当于一个标准足球场（约7140平方米）。相比之下，传统的沸石材料比表面积（单位质量的内表面积）通常仅有300～900平方米每克，而MOF-5的平均比表面积则为3000平方米每克。MOF-5的性能几乎超越了所有同类物质，它能够吸附和储存更多气体，为能源储存与环境治理提供了全新的解决方案。此后，亚吉团队不断拓展这一方向，设计出十几种不同的MOF-5变体，用于储存甲烷和捕获二氧化碳。

从“无用之物”到“决定性”材料

从罗布森首次构想出金属有机框架结构，到北川进与亚吉分别从稳定性、可设计性及应用潜力上加以完善，这种新型材料得以真正从实验室走向现实应用场景，人类终于为“分子积木”搭建出坚固的框架，正如诺贝尔化学奖委员会主席海纳·林克的评价：“金属有机框架潜力巨大，为具有新功能的定制材料带来了前所未有的机会。”

经过数十年的研究与改进，金属有机框架已经成为一种用途极其广泛的新型材料。它由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键连接而成，形成一个高度有序的三维晶格网络，内部布满可调节的孔隙。简单来说，金属有机框架是一种“超多孔分子海绵”—既具备金属的化学活性，又拥有有机配体的柔性和选择性。这种结构赋予其独特的物理化学性能，被誉为“21世纪的决定性材料”。

如今，改进后的金属有机框架，其比表面积之大令人惊叹。因此，它几乎可以用来储存、分离或释放任何物质，也特别适合捕获空气或水中极微量的化学分子，用于水质净化和空气过滤。同时，它还能高效储存能量，为储能设备提供新的解决方案。

目前，全球化学家已设计出十多万种不同结构的金属有机框架，用于从水中分离全氟/多氟烷基物质（PFAS）、分解环境微量药物、捕获二氧化碳以及从干旱地区的空气中收集水。研究显示，金属有机框架还可以成为催化剂、传感器或药物递送载体，它能将药物分子包裹在孔隙中，按需释放，实现精准治疗。

在众多应用中，药物递送最能体现金属有机框架在生物医学领域的特殊价值。药物分子可通过氢键、π–π堆积、配位或静电作用吸附在金属有机框架的孔隙表面，从而实现缓释。例如，低细胞毒性的卟啉型金属有机框架PCN-221能高效负载甲氨蝶呤（一种用于治疗癌症和自身免疫疾病的药物），药物分子在其中能够逐渐释放，进入机体后，可在一段时间内保持恒定疗效。

此外，科学家还利用共结晶方法，将胰岛素“装入”特定的金属有机框架内，用于治疗糖尿病。科学家甚至让药物分子参与金属有机框架的构建，如以天然药物姜黄素为配体，直接合成具有治疗功能的金属有机框架。科学家还可以精确调控金属有机框架的孔隙结构和表面性质，使其能携带不同类型的药物分子，并在体内实现可控释放。因此，研究人员能够将其制成可吸入的干粉颗粒，让所载药物能直接抵达肺部并缓慢释放，从而提高治疗效率、减少副作用。这种分子级载体正在为哮喘、肺癌等呼吸系统疾病的精准治疗开辟新路径。

在全球气候变暖的背景下，金属有机框架在碳捕获领域同样展现出巨大潜力。为了减少工业烟道气中的二氧化碳排放，科学家一直在寻找既高效又可再生的吸附材料。理想的吸附材料需要在常温下保持高水平的二氧化碳吸附量、在潮湿空气中依然稳定，并能在温和条件下再生。2022年，加拿大研究人员研制出一种名为CALF-20的金属有机框架，它能在1.2个大气压、室温条件下吸附二氧化碳（可吸附重量约为其自身重量的18%），并在混合气体中展现出极高的选择性。即使在相对湿度40%的环境中，CALF-20仍能优先吸附二氧化碳而非水蒸气，表现出卓越的稳定性，让高效捕碳的理想变为现实。

理查德·罗布森：1937年出生于英国西约克郡格拉斯本，1962年获得英国牛津大学博士学位，现为澳大利亚墨尔本大学教授。

北川进：1951年出生于日本京都，1979年获得日本京都大学博士学位，现任日本京都大学教授。

奥马尔·亚吉：1965年出生于约旦安曼，1990年获得美国伊利诺伊大学香槟分校博士学位，现为美国加利福尼亚大学伯克利分校教授。亚吉曾于2018年获得沃尔夫化学奖，该奖项素有“诺贝尔奖风向标”之称。

更令人惊叹的是，金属有机框架还拥有“从空气中取水”的绝技。这种材料能在夜间吸附空气中的水汽，白天经阳光加热后释放出液态水。实验显示，每千克金属有机框架每天可收集并释放约1升清洁的淡水。这项技术无需电力驱动，仅依靠昼夜温差即可运行，为撒哈拉沙漠、塔克拉玛干沙漠、戈壁等干旱地区带来了全新的水资源获取方案。

金属有机框架的发展历程，从最初的分子结构的构想到如今在能源、医药、环境等领域的应用，体现了基础科学与社会需求的完美融合。今年，诺贝尔化学奖将这一荣誉授予为金属有机框架的发现与应用做出巨大贡献的三位科学家，正是对这一“完美融合”的致敬—科学之“用”，往往始于常人以为的“无用”之处。

【责任编辑】张小萌