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▲2025年諾貝爾化學(xué)獎授予北川進(jìn)、理查德·羅布森以及奧馬爾·M·亞吉。爾化圖/諾貝爾獎委員會(huì )官網(wǎng)

據央視新聞消息，學(xué)獎當地時(shí)間10月8日，揭曉金屬瑞典皇家科學(xué)院決定將2025年諾貝爾化學(xué)獎授予北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）、有機有啥用理查德·羅布森（Richard Robson）以及奧馬爾·M·亞吉（Omar M. Yaghi）三位科學(xué)家，框架以表彰其在金屬有機框架開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的諾貝貢獻。

總體而言，爾化三位獲獎?wù)邉?chuàng )造了具有大空間的學(xué)獎分子結構，氣體和其他化學(xué)物質(zhì)可以通過(guò)這些空間。揭曉金屬這些結構就是有機有啥用金屬有機框架（MOFs），可用于從沙漠空氣中收集水、框架捕獲二氧化碳、諾貝儲存有毒氣體或催化化學(xué)反應。爾化

21世紀的決定性材料

1989年，理查德·羅布森以一種新的方式創(chuàng )建了一種新的化學(xué)基團分子。他將帶正電的銅離子與四臂分子結合，形成一個(gè)化學(xué)基團，這個(gè)基團在每只臂膀的末端由銅離子所吸附。當它們結合在一起時(shí)，形成一個(gè)有序、寬敞的晶體，就像一顆充滿(mǎn)無(wú)數空間的鉆石。這就是金屬有機框架。

盡管這種分子結構從理論和應用上看有很大的潛在價(jià)值，但它不穩定并且很容易崩潰。之后，北川進(jìn)和亞吉為這種化學(xué)基團的穩固和實(shí)際應用提供了堅實(shí)的基礎。1992年至2003年，他們分別取得了一系列突破性的發(fā)現。

北川進(jìn)的研究表明，氣體可以流入和流出金屬有機框架，并預測金屬有機框架可以變得更為靈活。亞吉則創(chuàng )建了一種非常穩定的金屬有機框架，并證明它可以使用合理的設計進(jìn)行修改，從而賦予其新的和理想的特性。

羅布森創(chuàng )造了金屬有機框架，北川井和亞吉分別完善和合理設計了金屬有機框架并給出了可能在生產(chǎn)和生活中應用的領(lǐng)域、范圍和模式。正如諾貝爾化學(xué)委員會(huì )主席海納·林克所說(shuō)，“金屬有機框架具有巨大的潛力，為具有新功能的定制材料帶來(lái)了前所未有的機會(huì )?！?/p>

經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)和改進(jìn)，金屬有機框架已經(jīng)成為一種用途巨大的新型材料，并能產(chǎn)生多種產(chǎn)品。金屬有機框架屬于一種多孔材料，由金屬離子（或簇）和有機配體通過(guò)配位鍵連接而成。這種結構會(huì )形成一個(gè)高度有序的、三維的晶格網(wǎng)絡(luò )，其中包含巨大的、可調的孔隙。

金屬有機框架不僅具有金屬的活性，同時(shí)也獲得了有機配體的柔性、化學(xué)官能團的選擇性和其他物理化學(xué)性能，還有配位形成的特殊空間結構。這幾種特別的要素完美結合起來(lái)，使得金屬有機框架被預測為21世紀的決定性材料。

具有廣闊的應用前景

金屬有機框架，作為一種用途極其廣泛的超多孔納米材料，如果將一克金屬有機框架的內表面積展開(kāi)，覆蓋的面積比一個(gè)足球場(chǎng)還大?，F在，化學(xué)家已經(jīng)設計了88000多個(gè)不同的金屬有機框架。

現有研究表明，金屬有機框架可用于氣體儲存與分離，如儲存氫氣和捕獲二氧化碳；可作為多相催化劑，促進(jìn)化學(xué)反應的進(jìn)行；也可用作傳感器，以檢測特定氣體或化學(xué)分子；還可以用于傳輸藥物，將藥物封裝在金屬有機框架的孔隙中進(jìn)行按需釋放。

迄今，最能體現金屬有機框架應用價(jià)值的是藥物傳遞。藥物分子常通過(guò)氫鍵、π-π堆積、配位作用、靜電作用等吸附于金屬有機框架的孔隙或表面，讓金屬有機框架成為藥物的緩控釋放遞送載體。

如低細胞毒性的卟啉金屬有機框架PCN-221對甲氨蝶呤（治療癌癥和自身免疫疾病的藥物）具有高載藥量，甲氨蝶呤通過(guò)擴散進(jìn)入PCN-221的孔隙與通道，通過(guò)其與PCN-221的π-π作用及氫鍵作用，在生理環(huán)境下實(shí)現緩釋?zhuān)员３炙幬镉行舛取?/p>

此外，特定的金屬有機框架還可通過(guò)共結晶法運載胰島素，治療糖尿病。除了將藥物分子加載到金屬有機框架孔隙或表面外，還可通過(guò)藥物分子中可用的配位位點(diǎn)與特定的金屬離子結合，使藥物直接作為有機配體參與金屬有機框架的形成，以輸送藥物。

而在全球氣候變化的環(huán)境下，金屬有機框架對煙道氣進(jìn)行碳捕獲，可以有效減少碳排放。

2022年，加拿大研究人員研制了一種稱(chēng)為CALF-20的金屬有機框架，能對煙道氣進(jìn)行有效碳捕獲。在1.2個(gè)大氣壓和室溫條件下，CALF-20能吸附自身重量18%左右的CO?，并且CALF-20在多種混合氣體中保持極佳的CO?選擇吸附能力。在40%相對濕度環(huán)境中，CALF-20甚至可以壓制水蒸氣而吸附CO?。

金屬有機框架還能通過(guò)吸收空氣中的水蒸氣，然后在溫度升高時(shí)釋放出水，從而實(shí)現從沙漠中收集水。這種技術(shù)特別適用于全球的沙漠地區，包括非洲的撒哈拉沙漠、亞洲和非洲的阿拉伯沙漠，亞洲的塔克拉瑪干沙漠和戈壁沙漠，以及南美洲的巴塔哥尼亞寒漠。

現在，該技術(shù)已在實(shí)驗室測試和沙漠環(huán)境的實(shí)地試驗中得到驗證。初步結果表明，金屬有機框架每千克每天可收集和提供超過(guò)一升的水，并且水質(zhì)非常干凈。

而且，金屬有機框架裝置不依賴(lài)電力，且可以利用溫度變化來(lái)收集水，是一種清潔能源驅動(dòng)的方案。未來(lái)，這是解決沙漠和干旱地區生活和生產(chǎn)用水的一種有效方式。

今年的諾貝爾化學(xué)獎授予金屬有機框架的發(fā)現和應用表明，這種材料和產(chǎn)品在未來(lái)具有廣闊的前景，能極大造福于人類(lèi)社會(huì )。

撰稿 / 張田勘（科普作家）

編輯 / 徐秋穎

校對 / 楊許麗