新華社斯德哥爾摩10月8日電　科普｜為化學(xué)創(chuàng)造“新空間”的金屬有機框架——2025年諾貝爾化學(xué)獎成果解讀

新華社記者朱昊晨　郭爽　張兆卿

瑞典皇家科學(xué)院8日在宣布2025年諾貝爾化學(xué)獎得主時，用一句富有詩意的話總結(jié)了獲獎?wù)叩呢暙I：“他們?yōu)榛瘜W(xué)創(chuàng)造了新空間。”

這一榮譽屬于日本京都大學(xué)的北川進、澳大利亞墨爾本大學(xué)的理查德·羅布森和美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的奧馬爾·M·亞吉。三位科學(xué)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(xué)研究的邊界，也為能源、環(huán)境和材料科學(xué)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(dāng)“角點”，通過長鏈有機碳基分子作為“梁柱”相互連接，構(gòu)成規(guī)則整齊的三維晶體結(jié)構(gòu)?？蚣軆?nèi)部布滿寬敞的空腔，氣體或液體分子可以在其中自由進出。這種結(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)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(lǐng)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(jié)構(gòu)，既有穩(wěn)固框架，又具備設(shè)計靈活性?？茖W(xué)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(zhì)，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(xué)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(xué)家可以在分子層面主動“規(guī)劃空間”，用理性設(shè)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(jié)合，每個“臂”的末端都帶有能吸引銅離子的化學(xué)基團。兩者結(jié)合后就形成一個有序且內(nèi)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(jié)構(gòu)的潛力。但早期材料結(jié)構(gòu)脆弱，容易坍塌。

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

為羅布森的愿景奠定堅實基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，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(shè)計對其進行調(diào)控，使其具備新的理想性能。1999年，奧馬爾·M·亞吉合成出經(jīng)典的MOF-5材料，其內(nèi)部空間巨大且能在300攝氏度下保持穩(wěn)定。

在此基礎(chǔ)上，化學(xué)家們已構(gòu)建出數(shù)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(yīng)對重大挑戰(zhàn)。

讓分子為人類服務(wù)

諾貝爾化學(xué)委員會評委、斯德哥爾摩大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)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(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)，獲獎?wù)呤状螌崿F(xiàn)了金屬離子與有機分子的有序結(jié)合，成功設(shè)計出具有較大孔洞的晶體結(jié)構(gòu)，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(shù)，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(lǐng)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(zhì)（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(lǐng)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(yīng)和電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化。

“目前該領(lǐng)域研究正快速發(fā)展，全球已有大量科研團隊投入其中。據(jù)我了解，僅中國就有超過100個實驗室在開展相關(guān)研究?！编u曉冬說。

金屬有機框架展現(xiàn)了化學(xué)的創(chuàng)造力與社會價值。三位獲獎?wù)哂盟麄兊陌l(fā)現(xiàn)，為化學(xué)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(xué)的空間中擁有了更多可能。