◎ 科技日報記者 張佳欣

如果一名房地產(chǎn)中介負責推銷(xiāo)分子世界的造房子房產(chǎn)，他或許會(huì )說(shuō)：“這是世界一間寬敞明亮、專(zhuān)為水分子量身定制的讀年單身公寓?！?/p>

這樣的諾貝“房子”確實(shí)存在。它們是爾化由科學(xué)家精心設計的分子建筑——金屬有機框架（MOF）。今年，學(xué)獎諾貝爾化學(xué)獎授予日本科學(xué)家北川進(jìn)、造房子澳大利亞科學(xué)家理查德·羅布森和美國科學(xué)家?jiàn)W馬爾·亞吉，世界以表彰他們在MOF材料開(kāi)發(fā)方面的讀年開(kāi)創(chuàng )性貢獻。

這種新型分子結構內部擁有大量空腔，諾貝分子可在其中自由進(jìn)出。爾化得益于三位科學(xué)家的學(xué)獎工作，化學(xué)家如今已能設計出數以萬(wàn)計的造房子不同MOF，為化學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)一連串“奇跡”。世界

理查德·羅布森：“分子建筑”靈感源自一節化學(xué)課

科學(xué)發(fā)現常始于“跳出框架”的思考。2025年諾貝爾化學(xué)獎的故事，源自一節普通的化學(xué)課準備。

1974年，理查德·羅布森正在為課堂制作分子模型，他用木球代表原子、木棒代表化學(xué)鍵。擺弄間，他靈光一現：如果能像拼積木一樣，讓原子或分子依照其化學(xué)特性自行連接，能否構建出新的“分子建筑”？

直到十多年后，他終于動(dòng)手驗證這一想法。羅布森將帶正電的銅離子與四臂分子相結合，結果這些分子像鉆石晶格一樣自組裝成規則的三維晶體結構，不同的是，這種晶體內部竟有大量空腔。1989年，他在《美國化學(xué)會(huì )志》上發(fā)表成果，首次提出這類(lèi)分子網(wǎng)絡(luò )的潛力，預言它們將賦予材料前所未有的性質(zhì)。

理查德·羅布森的靈感來(lái)源于鉆石的結構，鉆石中的每個(gè)碳原子都與其他四個(gè)碳原子連接，形成金字塔狀的結構。

此后，羅布森陸續合成出多種含空腔的分子網(wǎng)絡(luò )，并證明這些結構內部的離子可以互換，從而讓物質(zhì)進(jìn)出。他展示了可按需設計的分子晶體，并提出這種材料可用作催化劑。盡管早期材料脆弱、易分解，被認為“沒(méi)用”，但羅布森已打開(kāi)了“分子建筑”的大門(mén)。

北川進(jìn)：讓“無(wú)用之物”變得有用

20世紀90年代，北川進(jìn)接過(guò)了羅布森探索的火種。他奉行的信條是：“要看到‘無(wú)用之物’的用處?！?/p>

1992年，北川進(jìn)構建出一種二維分子材料，分子之間形成可容納丙酮分子的空腔。雖然功能有限，但這代表一種全新的分子設計思維。他同樣用金屬離子作為“支點(diǎn)”，以有機分子相連。

1997年，北川進(jìn)成功構建出一種金屬有機骨架，其內部由開(kāi)放通道相交。

1997年，他的團隊用鈷、鎳、鋅離子與4,4′-聯(lián)吡啶分子搭建出三維MOF結構，形成交錯的空腔通道。當他們將材料中的水去除后，這些孔洞仍然穩定，可以吸附和釋放甲烷、氧氣、氮氣等氣體而不變形。

面對“已有多孔沸石，為何還要MOF？”的質(zhì)疑，北川進(jìn)給出關(guān)鍵答案。他認為，MOF可由多種金屬和有機分子構建，功能可定制，并且材料柔韌，能如呼吸般吸附和釋放氣體。這一定義奠定了MOF的科學(xué)基礎。

奧馬爾·亞吉：為分子積木命名并賦予力量

在大洋彼岸，奧馬爾·亞吉延續并拓展了這一理念。

1995年，亞吉正式提出“金屬有機框架（MOF）”這一名稱(chēng)，定義了這種由金屬節點(diǎn)和有機配體組成、具有規則空腔的晶體結構。

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。

隨后，他于1999年研發(fā)出MOF-5，這是一種極其穩定且空間巨大的框架結構，即使在300℃高溫下也不會(huì )坍塌。最令人震驚的是其內部表面積：幾克MOF-5的內部總面積相當于一個(gè)足球場(chǎng)，遠超傳統沸石。這意味著(zhù)它能吸附更多氣體。

亞吉的團隊繼續擴展MOF家族，創(chuàng )造出十幾種變體，用以?xún)Υ婕淄?、捕獲二氧化碳，甚至在沙漠中利用MOF創(chuàng )造了“空中取水”的奇跡：夜晚材料吸附空氣中的水汽，白天經(jīng)太陽(yáng)加熱后釋放出液態(tài)水，為干旱地區提供取水新途徑。

MOF-303可以在夜間捕獲沙漠空氣中的水蒸氣。當早晨太陽(yáng)加熱該材料時(shí)，便會(huì )釋放出可供飲用的水。

如今，科學(xué)家已設計出數以萬(wàn)計的MOF，它們被用于碳捕集、空氣凈化、藥物遞送、能源存儲等眾多前沿領(lǐng)域。甚至在半導體制造中，也有MOF被用于捕捉或分解劇毒氣體。

一些科學(xué)家認為，MOF潛力巨大，有望成為“21世紀的材料”。無(wú)論未來(lái)如何，通過(guò)MOF的開(kāi)發(fā)，三位科學(xué)家為我們提供了解決能源、環(huán)境與健康等重大問(wèn)題的新途徑，而這正契合了諾貝爾遺囑中“造福人類(lèi)”的精神。

來(lái)源：科技日報 文中圖片均來(lái)自諾貝爾獎官網(wǎng)

編輯：宋慈

審核：朱麗