▲2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予北川進(jìn)、學(xué)獎(jiǎng)理查德·羅布森以及奧馬爾·M·亞吉。揭曉金屬圖/諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)官網(wǎng)據(jù)央視新聞消息，有機(jī)有啥用當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月8日，框架瑞典皇家科學(xué)院決定將2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）、諾貝理查德·羅布森（Richard Robson）以及奧馬爾·M·亞吉（Omar M. Yaghi）三位科學(xué)家，爾化以表彰其在金屬有機(jī)框架開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的學(xué)獎(jiǎng)貢獻(xiàn)。
總體而言，揭曉金屬三位獲獎(jiǎng)?wù)邉?chuàng)造了具有大空間的有機(jī)有啥用分子結(jié)構(gòu)，氣體和其他化學(xué)物質(zhì)可以通過(guò)這些空間?？蚣苓@些結(jié)構(gòu)就是諾貝金屬有機(jī)框架（MOFs），可用于從沙漠空氣中收集水、爾化捕獲二氧化碳、學(xué)獎(jiǎng)儲(chǔ)存有毒氣體或催化化學(xué)反應(yīng)。
21世紀(jì)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(tuán)分子。他將帶正電的銅離子與四臂分子結(jié)合，形成一個(gè)化學(xué)基團(tuán)，這個(gè)基團(tuán)在每只臂膀的末端由銅離子所吸附。當(dāng)它們結(jié)合在一起時(shí)，形成一個(gè)有序、寬敞的晶體，就像一顆充滿無(wú)數(shù)空間的鉆石。這就是金屬有機(jī)框架。
盡管這種分子結(jié)構(gòu)從理論和應(yīng)用上看有很大的潛在價(jià)值，但它不穩(wěn)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(tuán)的穩(wěn)固和實(shí)際應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1992年至2003年，他們分別取得了一系列突破性的發(fā)現(xiàn)。
北川進(jìn)的研究表明，氣體可以流入和流出金屬有機(jī)框架，并預(yù)測(cè)金屬有機(jī)框架可以變得更為靈活。亞吉?jiǎng)t創(chuàng)建了一種非常穩(wěn)定的金屬有機(jī)框架，并證明它可以使用合理的設(shè)計(jì)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(jī)框架，北川井和亞吉分別完善和合理設(shè)計(jì)了金屬有機(jī)框架并給出了可能在生產(chǎn)和生活中應(yīng)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(jī)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(jī)會(huì)?！?/p>
經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)和改進(jìn)，金屬有機(jī)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(jī)框架屬于一種多孔材料，由金屬離子（或簇）和有機(jī)配體通過(guò)配位鍵連接而成。這種結(jié)構(gòu)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(diào)的孔隙。
金屬有機(jī)框架不僅具有金屬的活性，同時(shí)也獲得了有機(jī)配體的柔性、化學(xué)官能團(tuán)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(jié)構(gòu)。這幾種特別的要素完美結(jié)合起來(lái)，使得金屬有機(jī)框架被預(yù)測(cè)為21世紀(jì)的決定性材料。
具有廣闊的應(yīng)用前景
金屬有機(jī)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(jī)框架的內(nèi)表面積展開(kāi)，覆蓋的面積比一個(gè)足球場(chǎng)還大?，F(xiàn)在，化學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)了88000多個(gè)不同的金屬有機(jī)框架。
現(xiàn)有研究表明，金屬有機(jī)框架可用于氣體儲(chǔ)存與分離，如儲(chǔ)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(yīng)的進(jìn)行；也可用作傳感器，以檢測(cè)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(jī)框架的孔隙中進(jìn)行按需釋放。
迄今，最能體現(xiàn)金屬有機(jī)框架應(yīng)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(jī)框架的孔隙或表面，讓金屬有機(jī)框架成為藥物的緩控釋放遞送載體。
如低細(xì)胞毒性的卟啉金屬有機(jī)框架PCN-221對(duì)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(kuò)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(xiàn)緩釋，以保持藥物有效濃度。
此外，特定的金屬有機(jī)框架還可通過(guò)共結(jié)晶法運(yùn)載胰島素，治療糖尿病。除了將藥物分子加載到金屬有機(jī)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(jié)合，使藥物直接作為有機(jī)配體參與金屬有機(jī)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(jī)框架對(duì)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為CALF-20的金屬有機(jī)框架，能對(duì)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(duì)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(jī)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(xiàn)從沙漠中收集水。這種技術(shù)特別適用于全球的沙漠地區(qū)，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(xiàn)在，該技術(shù)已在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和沙漠環(huán)境的實(shí)地試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。初步結(jié)果表明，金屬有機(jī)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(jī)框架裝置不依賴電力，且可以利用溫度變化來(lái)收集水，是一種清潔能源驅(qū)動(dòng)的方案。未來(lái)，這是解決沙漠和干旱地區(qū)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(jiǎng)授予金屬有機(jī)框架的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用表明，這種材料和產(chǎn)品在未來(lái)具有廣闊的前景，能極大造福于人類社會(huì)。
撰稿 / 張?zhí)锟保破兆骷遥?/p>
編輯 / 徐秋穎
校對(duì) / 楊許麗