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

據(jù)央視新聞消息，學(xué)獎當(dāng)?shù)貢r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（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(jié)構(gòu)，氣體和其他化學(xué)物質(zhì)可以通過這些空間。揭曉金屬這些結(jié)構(gòu)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(yīng)。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(jié)合，形成一個化學(xué)基團，這個基團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，形成一個有序、寬敞的晶體，就像一顆充滿無數(shù)空間的鉆石。這就是金屬有機框架。

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值，但它不穩(wěn)定并且很容易崩潰。之后，北川進和亞吉為這種化學(xué)基團的穩(wěn)固和實際應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)。1992年至2003年，他們分別取得了一系列突破性的發(fā)現(xiàn)。

北川進的研究表明，氣體可以流入和流出金屬有機框架，并預(yù)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(wěn)定的金屬有機框架，并證明它可以使用合理的設(shè)計進行修改，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(shè)計了金屬有機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)委員會主席海納·林克所說，“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了前所未有的機會。”

經(jīng)過多年的研發(fā)和改進，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）和有機配體通過配位鍵連接而成。這種結(jié)構(gòu)會形成一個高度有序的、三維的晶格網(wǎng)絡(luò)，其中包含巨大的、可調(diào)的孔隙。

金屬有機框架不僅具有金屬的活性，同時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(jié)構(gòu)。這幾種特別的要素完美結(jié)合起來，使得金屬有機框架被預(yù)測為21世紀的決定性材料。

具有廣闊的應(yīng)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(nèi)表面積展開，覆蓋的面積比一個足球場還大。現(xiàn)在，化學(xué)家已經(jīng)設(shè)計了88000多個不同的金屬有機框架。

現(xiàn)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，促進化學(xué)反應(yīng)的進行；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行按需釋放。

迄今，最能體現(xiàn)金屬有機框架應(yīng)用價值的是藥物傳遞。藥物分子常通過氫鍵、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，甲氨蝶呤通過擴散進入PCN-221的孔隙與通道，通過其與PCN-221的π-π作用及氫鍵作用，在生理環(huán)境下實現(xiàn)緩釋，以保持藥物有效濃度。

此外，特定的金屬有機框架還可通過共結(jié)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，還可通過藥物分子中可用的配位位點與特定的金屬離子結(jié)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的金屬有機框架，能對煙道氣進行有效碳捕獲。在1.2個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吸收空氣中的水蒸氣，然后在溫度升高時釋放出水，從而實現(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)已在實驗室測試和沙漠環(huán)境的實地試驗中得到驗證。初步結(jié)果表明，金屬有機框架每千克每天可收集和提供超過一升的水，并且水質(zhì)非常干凈。

而且，金屬有機框架裝置不依賴電力，且可以利用溫度變化來收集水，是一種清潔能源驅(qū)動的方案。未來，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)獎授予金屬有機框架的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用表明，這種材料和產(chǎn)品在未來具有廣闊的前景，能極大造福于人類社會。

撰稿 / 張?zhí)锟保破兆骷遥?/p>

編輯 / 徐秋穎

校對 / 楊許麗

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