科普｜为化学创造“新空间”的金属有机框架——2025年诺贝尔化学奖成果解读

  瑞典皇家科学院8日在宣布2025年诺贝尔化学奖得主时，用一句富有诗意的话总结了获奖者的贡献：“他们为化学创造了新空间。”

  这一荣誉属于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·M·亚吉。三位科学家因开发出金属有机框架而获奖。这项成果不仅拓展了化学研究的边界，也为能源、环境和材料科学带来深远影响。

　　金属有机框架是什么

  金属有机框架是一种精巧的“分子建筑”。它由金属离子充当“角点”，通过长链有机碳基分子作为“梁柱”相互连接，构成规则整齐的三维晶体结构。框架内部布满宽敞的空腔，气体或液体分子可以在其中自由进出。这种结构可用于从沙漠空气中提取水分、捕获二氧化碳、储存有毒气体或催化化学反应等。

  有的金属有机框架材料具备极强的吸附与储存能力，可容纳大量气体分子，如氢气、甲烷或二氧化碳，因此在清洁能源储运和碳捕获等领域表现突出。此外，这类材料在吸附或释放气体时会发生可逆形变，表现出柔性特征，能伸缩而不破坏既有框架。

  这种由金属离子与有机分子相互连接形成的结构，既有稳固框架，又具备设计灵活性。科学家可以选择不同的金属离子和有机分子，像建筑师那样“定制”材料的性质，搭建出具有不同性能的金属有机框架。

  金属有机框架的出现改变了传统化学的研究思路。它不仅意味着一类新材料的诞生，更代表了一种方法论的突破——化学家可以在分子层面主动“规划空间”，用理性设计取代以往依赖偶然发现的实验探索。

　　“分子宫殿”终成现实

  20世纪80年代，罗布森尝试以一种新方式来利用原子的固有属性。他将带正电的铜离子与一个具有四条“臂”的有机分子结合，每个“臂”的末端都带有能吸引铜离子的化学基团。两者结合后就形成一个有序且内部空旷的晶体，宛如一座“分子宫殿”。罗布森立即意识到了这一分子结构的潜力。但早期材料结构脆弱，容易坍塌。

  1989年，罗布森在《美国化学学会杂志》上发表了这项成果并提出，这种设计思路可能为构建具有全新特性的材料提供路径。然而，当时多数化学家认为他的构想缺乏实用价值。

  为罗布森的愿景奠定坚实基础的是北川进和奥马尔·M·亚吉。1992年至2003年间，他们分别取得了一系列突破性成果。北川进证明气体可以自由进出金属有机框架而不破坏结构，揭示了其柔性特征；奥马尔·M·亚吉则创造出高度稳定的金属有机框架，并证明可以通过理性设计对其进行调控，使其具备新的理想性能。1999年，奥马尔·M·亚吉合成出经典的MOF-5材料，其内部空间巨大且能在300摄氏度下保持稳定。

  在此基础上，化学家们已构建出数以万计不同的金属有机框架材料，其中许多材料有望帮助人类应对重大挑战。

　　让分子为人类服务

  诺贝尔化学委员会评委、斯德哥尔摩大学结构化学系教授邹晓冬接受新华社记者采访时表示，这项成果是化学领域的重要发现，获奖者首次实现了金属离子与有机分子的有序结合，成功设计出具有较大孔洞的晶体结构，为合成具有可控空间的化合物提供了新方法。今天的研究者正利用这一技术，为人类面临的资源、能源与环境挑战寻找解决方案。

  在环境领域，金属有机框架材料能吸附二氧化碳，减少温室气体排放；能从水中分离出全氟和多氟烷基物质（PFAS）等“永久污染物”；还能分解抗生素残留及有害气体。在能源领域，它们可用于储存氢气和甲烷，为新能源交通提供更安全高效的储气方式；还可用于催化反应和电化学能量转化。

  “目前该领域研究正快速发展，全球已有大量科研团队投入其中。据我了解，仅中国就有超过100个实验室在开展相关研究。”邹晓冬说。

  金属有机框架展现了化学的创造力与社会价值。三位获奖者用他们的发现，为化学打开了一扇通向未来的“新大门”，让分子的世界更宽广，也让人类在科学的空间中拥有了更多可能。