關(guān)注2025諾獎|“分子建筑師的杰作”獲得化學(xué)獎——從沙漠取水到捕獲碳，這種新材料正在改變世界
來源： 紫牛新聞
2025-10-08 23:13:00
10月8日，2025年度諾貝爾化學(xué)獎揭曉。今年化學(xué)獎授予北川進(jìn)、理查德·羅布森和奧馬爾·M·亞吉，獲獎理由是“用于開發(fā)金屬有機(jī)框架材料”。金屬有機(jī)框架材料是什么？它對我們的世界帶來了怎樣的改變？記者邀請南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授丁夢寧進(jìn)行解讀。
無中生有，分子建筑師的杰作
金屬有機(jī)框架材料（MOF）到底是一種什么材料？為何會是諾獎級的突破？
“這是一種人工合成的材料，它的突破性，在于彌合了材料世界兩大陣營的鴻溝?！倍魧幙破盏?，在MOF出現(xiàn)之前，化學(xué)家的材料工具箱分為兩大陣營，界限分明：一邊是以碳原子為骨架的有機(jī)材料，柔韌易加工卻難以形成規(guī)整孔道；另一邊是結(jié)構(gòu)有序的無機(jī)材料，堅硬穩(wěn)定但種類有限，難以精準(zhǔn)調(diào)控。
在過去，化學(xué)家們通常只是分別使用這兩類材料，或者進(jìn)行簡單的物理混合。這就像一位建筑師，他要么用木頭（有機(jī)）蓋一座柔軟的木屋，要么用磚石（無機(jī)）砌一座堅固的堡壘，但很難從分子層面將木頭和磚石“化學(xué)鍵合”在一起，建造出一種兼具兩者優(yōu)點的全新建筑。
MOF用金屬離子或金屬團(tuán)簇（來自無機(jī)世界）作為堅固的“關(guān)節(jié)”或“節(jié)點”，用有機(jī)連接分子（來自有機(jī)世界）作為定制的“連桿”或“支柱”，通過強(qiáng)大的配位鍵，像搭樂高積木一樣，自下而上地組裝成一個規(guī)整、穩(wěn)定且內(nèi)部充滿空腔的三維框架結(jié)構(gòu)。
丁夢寧表示，這種設(shè)計理念的革命性在于，它擁有了無機(jī)材料的“骨骼”：由金屬節(jié)點構(gòu)成的周期性框架，使MOF具備了晶體的剛性和穩(wěn)定性，能形成長期存在的規(guī)整孔道；同時，它注入了有機(jī)材料的“靈魂”——有機(jī)連接體的引入，帶來了近乎無窮的設(shè)計自由度。通過改變“連桿”的長度、形狀和化學(xué)基團(tuán)，可以像定制家具一樣，精準(zhǔn)調(diào)控孔道的大小、形狀和內(nèi)部的化學(xué)環(huán)境。
正如諾貝爾獎委員會所強(qiáng)調(diào)的，三位獲獎?wù)叩呢暙I(xiàn)不僅在于創(chuàng)造了一類新材料，更在于開創(chuàng)了一個全新的研究領(lǐng)域，為化學(xué)家提供了解決全球性挑戰(zhàn)的強(qiáng)大工具。
從搭建分子模型到空氣里“榨”水
在諾獎的頒獎詞中提到，MOF從沙漠空氣中收集水，這非常引人注目。而這一神奇應(yīng)用背后，是三位化學(xué)家共同掀起的材料革命。
這項突破始于1989年，理查德·羅布森率先探索原子特性的創(chuàng)新應(yīng)用。他創(chuàng)造性地將帶正電的銅離子與四臂狀分子結(jié)合，形成了結(jié)構(gòu)規(guī)整、充滿無數(shù)空腔的晶體結(jié)構(gòu)，宛如有無數(shù)空腔的鉆石。羅布森立即意識到這種分子構(gòu)造的潛力，但其穩(wěn)定性不足且易坍塌。隨后，北川進(jìn)與奧馬爾·亞吉在1992至2003年間分別取得關(guān)鍵突破：北川證實這類材料可以吸附氣體，并預(yù)言MOF可具備柔韌特性，驗證并拓展了MOF的功能。而亞吉則成功建構(gòu)出高度穩(wěn)定、高比表面的框架材料，并通過理性設(shè)計賦予材料嶄新特性。
“他是MOF概念的正式提出者，并在此基礎(chǔ)上建立了“網(wǎng)狀化學(xué)”的理論框架。”丁夢寧介紹。亞吉在1999年合成的MOF-5是一個革命性的突破，證明了這類材料可以同時具備高穩(wěn)定性以及前所未有的高比表面積，就像一個內(nèi)部被徹底掏空、布滿了無數(shù)房間的摩天大樓，其內(nèi)部表面積大得驚人（一克MOF-5的比表面積大約是3000平方米，相當(dāng)于半個足球場的面積壓縮到一克粉末里），這為大量吸附二氧化碳等小分子提供了物理基礎(chǔ)。
亞吉后期致力于MOF的精準(zhǔn)功能化。他通過對有機(jī)連接體和金屬簇的精密設(shè)計，在MOF的孔道內(nèi)壁“安裝”了特定的親水組分。這些基團(tuán)與水分子產(chǎn)生恰到好處的相互作用——既能在夜晚牢牢抓住水分子，又不會抓得太緊，以至于白天僅靠陽光的熱量就能讓水分子“掙脫”并釋放出來?！拔蔑枴庇帧巴碌贸觥?，讓MOF“沙漠取水”的夢想，從一篇論文走向沙特的示范項目。
從實驗室到市場：MOF的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
這種由金屬離子與有機(jī)分子編織而成的“納米海綿”，憑借其破紀(jì)錄的比表面積與孔隙結(jié)構(gòu)，能像智能捕手般精準(zhǔn)吸附氣體、鎖住水分、捕獲污染物。從防潮鞋盒到新能源汽車的儲氫罐，從冰箱除味劑到工業(yè)廢氣處理，MOF正悄然重塑我們與環(huán)境的互動方式。
丁夢寧指出，盡管MOF的大規(guī)模工業(yè)化合成已在技術(shù)上實現(xiàn)，但其從實驗室邁向廣泛日常應(yīng)用的核心瓶頸，在于找到那個在性能與成本上能全面超越現(xiàn)有成熟技術(shù)的“殺手級應(yīng)用”。由于MOF復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其成本略高于傳統(tǒng)多孔材料，他認(rèn)為，其產(chǎn)業(yè)化突破將更可能發(fā)生在一些高附加值領(lǐng)域。
基于獲獎?wù)叩拈_創(chuàng)性工作，全球化學(xué)家已構(gòu)建出數(shù)萬種功能各異的MOF材料，其中許多有望助力解決人類面臨的重大挑戰(zhàn)。
目前，MOF研究在國內(nèi)外都是一個高度活躍的熱點領(lǐng)域。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院依托其配位化學(xué)全國重點實驗室的深厚積累，為功能MOF材料的研究提供了堅實基礎(chǔ)。上世紀(jì)八十年代，奧馬爾·M·亞吉教授還是研究生的時候，曾經(jīng)在配位化學(xué)國家重點實驗室游效曾老師課題組學(xué)習(xí)過一段時間。游效曾院士課題組利用配合物構(gòu)筑基塊，首次組裝了空間結(jié)構(gòu)多樣的三維配位聚合物和分子基型分子篩MOF材料。
近年來，南京大學(xué)左景林教授、袁帥教授等團(tuán)隊正專注于新型功能MOF材料（包括光電功能MOF材料、綠色催化MOF材料等）的合成。丁夢寧本人的研究是基于新型MOF半導(dǎo)體材料，設(shè)計并制造出高性能的微納電子傳感器件。在他看來，高端化學(xué)傳感芯片，也高度契合我國在高端芯片領(lǐng)域?qū)で蟆皬澋莱嚒钡膽?zhàn)略布局。
從羅布森的開創(chuàng)性工作算起，這場材料科學(xué)革命僅醞釀了36年。然而，MOF為化學(xué)家提供的這個“全新工具箱”，已然展現(xiàn)出驅(qū)動環(huán)境、健康與能源領(lǐng)域邁向變革的驚人潛力，成為解決特定問題的“王牌”。從賦能清潔能源的儲氫罐，到守護(hù)生命健康的藥物載體和傳感芯片，這場由三位諾獎得主開創(chuàng)的“分子建筑”革命，正等待全球科學(xué)家共同構(gòu)建更精彩的未來篇章。
揚子晚報/紫牛新聞記者 楊甜子
校對 胡妍璐