摘要：瑞典皇家科学院宣布，2025年诺贝尔化学奖授予日本京都大学的北川进、澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森和美国加州大学伯克利分校的奥马尔·雅吉，以表彰他们在金属有机框架材料开发领域的开创性贡献。这三位科学家将分享1100万瑞典克朗的奖金，他们的工作彻底改变了材料

信息来源：https://www.sciencealert.com/2025-nobel-prize-for-chemistry-awarded-for-a-whole-lot-of-nothing

瑞典皇家科学院宣布，2025年诺贝尔化学奖授予日本京都大学的北川进、澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森和美国加州大学伯克利分校的奥马尔·雅吉，以表彰他们在金属有机框架材料开发领域的开创性贡献。这三位科学家将分享1100万瑞典克朗的奖金，他们的工作彻底改变了材料科学领域，为解决气候变化和能源存储等全球性挑战开辟了新的技术路径。

金属有机框架材料以其独特的多孔结构而闻名，这些微观空腔的直径从几埃到几纳米不等，虽然肉眼无法观察，但却为各种分子提供了理想的容纳空间。这种看似简单的"空洞"设计背后蕴含着深刻的化学原理和巨大的应用潜力，正在推动从清洁能源到环境治理等多个领域的技术革新。

诺贝尔委员会在颁奖词中特别强调了这项技术的实用价值，指出金属有机框架材料已经在气体存储、碳捕获、药物输送和催化反应等关键领域展现出巨大前景。委员会成员表示，这些材料的发现不仅代表了基础科学的重大突破，更重要的是为人类应对环境挑战提供了强有力的工具。

从理论探索到技术突破的三十年历程

Mofs 是晶体中可以吸收其他物质的间隙。 （TanyaJoy/盖蒂图片社）

金属有机框架材料的发展历程堪称现代材料科学的经典案例。早在1950年代后期，研究人员就开始探索配位聚合物的合成，这些由金属离子和有机连接分子组成的材料为后来MOFs的诞生奠定了基础。然而，真正的突破要等到1980年代末期才出现。

罗布森的团队在1987年首次报告了具有框架结构的配位聚合物，这些材料能够在三维空间中形成有序的多孔结构。他们的研究发现了一个令人震惊的现象：在某些晶体中，多达三分之二的体积实际上是液体溶剂分子占据的空间。这一发现彻底颠覆了传统的晶体学观念，揭示了材料内部可能存在巨大空腔的可能性。

1990年代中后期，雅吉团队取得了关键性突破。他们成功证明即使移除溶剂分子，这些框架结构仍能保持稳定，这打破了学术界普遍认为这类材料过于脆弱的假设。1997年，雅吉开发出了著名的MOF-5材料，这种具有立方空腔结构的晶体展现出惊人的比表面积，仅仅几克材料就能提供相当于一个足球场大小的内表面积。

具有内置空腔的晶体结构。（诺贝尔奖外展，CC BY-SA)

北川进的贡献同样不可或缺。他在1997年证明了这些开放空腔能够有效吸收气体分子，更重要的是发现了框架本身会随着气体的吸收而膨胀，释放时则会收缩。这种"呼吸效应"为后来的气体存储和分离应用奠定了理论基础。正是北川的工作确立了现代MOFs的基本概念，即具有永久开放空腔的配位聚合物。

这三位科学家的协同努力有效标志着现代MOF化学的诞生。自那时起，相关研究呈现爆发式增长，迄今已发表数千篇研究论文，涉及的MOF结构类型超过10万种。这一领域的快速发展反映了科学界对这类材料巨大潜力的认知和期待。

绿色技术革命的关键推动力

金属有机框架材料之所以引起广泛关注，主要源于其在解决全球性环境挑战方面的巨大潜力。在气候变化日益严峻的背景下，MOFs为碳捕获和存储技术提供了全新的解决方案。这些材料能够选择性地吸附二氧化碳，从工业废气中分离并浓缩温室气体，为大规模碳减排提供技术支撑。

氢能作为清洁能源的重要载体，其安全高效的存储一直是技术难题。传统的压缩氢气存储需要极高压力，既不安全又不经济。MOFs的出现为这一问题提供了优雅的解决方案，这些材料能够在相对温和的条件下实现氢气的高密度存储，为燃料电池汽车等清洁能源技术的推广创造了条件。

在水资源日益稀缺的今天，从空气中提取水分的技术意义重大。某些MOFs材料展现出从干燥空气中高效收集水蒸气的能力，这项技术对干旱地区具有革命性意义。美国加州大学伯克利分校的研究团队已经开发出基于MOFs的大气取水设备原型，在相对湿度仅为20%的条件下仍能有效工作。

1999 年，Yaghi 构建了一种非常稳定的材料 MOF-5，它具有立方空间。只需几克就可以容纳一个足球场那么大的区域。（诺贝尔奖外展）

药物输送领域同样受益于MOFs技术的发展。这些材料的多孔结构为药物分子提供了理想的载体环境，不仅能够保护药物免受降解，还能实现药物的控释，提高治疗效果并减少副作用。一些MOFs材料对特定生物环境具有响应性，能够在到达靶组织时释放药物，实现精准治疗。

产业化前景与技术挑战

尽管MOFs技术展现出巨大的应用前景，但其大规模产业化仍面临诸多挑战。制造成本是首要考虑因素，目前大多数MOFs的合成需要使用昂贵的金属前驱体和有机连接剂，这限制了其在大规模应用中的经济可行性。

材料稳定性是另一个关键问题。许多MOFs在潮湿环境中容易降解，这限制了它们在实际应用中的使用寿命。研究人员正在开发更加稳定的MOF结构，通过优化金属节点和有机连接剂的化学结构来提高材料的环境耐受性。

规模化生产工艺的开发也是产业化的重要环节。实验室规模的合成方法往往难以直接放大到工业生产规模，需要重新设计反应条件和纯化流程。一些公司已经开始投资建设MOFs的中试生产线，探索经济可行的大规模制备技术。

监管和标准化问题同样不容忽视。作为一类相对新颖的材料，MOFs在安全性评估和环境影响方面还缺乏完整的数据库。建立统一的测试标准和评估方法对于推动这些材料的商业应用至关重要。

市场接受度是影响产业化进程的另一个因素。许多潜在用户对MOFs技术还不够了解，需要通过示范项目和成功案例来建立市场信心。教育和推广工作对于加速技术转化具有重要意义。

目前全球已有多家公司在MOFs商业化方面取得实质性进展。英国的MOF Technologies公司专注于天然气存储应用，日本的东京工业大学衍生公司则在氢气存储领域进行产业化探索。这些早期的商业化努力为整个行业提供了宝贵经验。

展望未来，随着制备技术的不断改进和成本的持续下降，MOFs有望在更多领域实现规模化应用。诺贝尔奖的授予无疑将进一步推动全球对这一技术的关注和投资，加速相关产业的发展进程。

来源：人工智能学家