摘要：想象一下，当我们踏入微观的分子世界，那里仿佛是一个充满无限可能的奇幻王国。在这个王国里，化学家们宛如技艺高超的建筑大师，他们巧妙地运用金属离子作为坚固的支柱，精心挑选有机分子搭建起错落有致的墙壁，一座座宽敞明亮的“公寓楼”便在这微观的天地中拔地而起。这些“公寓

想象一下，当我们踏入微观的分子世界，那里仿佛是一个充满无限可能的奇幻王国。在这个王国里，化学家们宛如技艺高超的建筑大师，他们巧妙地运用金属离子作为坚固的支柱，精心挑选有机分子搭建起错落有致的墙壁，一座座宽敞明亮的“公寓楼”便在这微观的天地中拔地而起。这些“公寓”可不是为人类居住而设计的，它们是专为气体分子、水分子以及各类污染物量身定制的“理想家园”。

这些神奇的“分子公寓”拥有着超乎想象的“超能力”。它们能够像神奇的魔法师一样，从干燥的沙漠空气中“变”出珍贵的饮用水；又如同忠诚的卫士，紧紧抓住导致全球变暖的温室气体二氧化碳；还能像高效的能源仓库，安全地储存清洁能源；甚至可以化身空气净化小能手，去除空气中的有害污染物，还能精准地递送药物到身体的特定部位。

这听起来是不是像一部充满奇幻色彩的科幻小说？不，这绝不是虚构的幻想，而是真实发生在当今科学领域的伟大奇迹！

2025年，备受瞩目的诺贝尔化学奖终于揭晓，三位杰出的科学家——日本的北川进、澳大利亚的理查德·罗布森和美国的奥马尔·亚吉，凭借他们开创性的“金属有机框架”（Metal - Organic Frameworks，简称MOF）研究，共同荣膺这一科学界的至高荣誉。

这项发明被科学界誉为“21世纪的材料”，它宛如一把神奇的钥匙，有望帮助人类打开应对气候变化、水资源短缺和能源危机等重大挑战的大门。

今天，就让我们一同深入解读这个发生在分子建筑领域的传奇故事。

北京时间10月8日下午，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩这座充满历史底蕴与科学氛围的城市，庄重地宣布了2025年诺贝尔化学奖的得主。三位获奖者将共同平分1100万瑞典克朗（约合834万元人民币）的丰厚奖金。他们的卓越贡献在于开发了一种新型分子结构——MOF。这种材料就像一个精心设计的蜂巢，内部布满了大大小小的空腔，这些空腔仿佛是热情好客的主人，欢迎各种分子自由地进出流动。诺贝尔化学委员会主席海纳·林克满怀激情地评价道：“金属有机框架具有巨大的潜力，它为开发具有全新功能的定制材料带来了前所未有的机会，就像为化学家们打开了一扇通往无限可能的新世界大门。”

理查德·罗布森，1937年出生于英国，如今是澳大利亚墨尔本大学的资深教授。他堪称MOF领域的“启蒙者”，早在上世纪70年代，他就从课堂模型中获得了灵感的火花。那时，他在为学生准备化学课时，用木球代表原子，用木棒代表化学键，精心制作分子模型。在摆弄这些模型的过程中，他的脑海中突然闪过一个大胆而奇妙的想法：原子的连接方式本身就蕴含着丰富的几何信息，为什么不能利用这种特性，让分子像积木一样自动组装成更大的结构呢？

北川进，1951年出生于日本京都这座充满文化气息的城市，现任京都大学教授。他秉持着“于无用中见有用”的独特哲学理念，赋予了MOF稳定性和功能性。在他的眼中，看似平凡无奇的事物往往隐藏着巨大的价值，就像一颗被埋没在沙砾中的宝石，等待着被发现和挖掘。

奥马尔·亚吉，1965年出生于约旦安曼，现为美国加州大学伯克利分校教授。他正式命名了“MOF”，并开发出标志性的MOF - 5，这一创举如同在MOF领域引发了一场爆炸式的发展浪潮，推动了整个领域迈向新的高度。

这个奖项的授予并非偶然。早在上世纪五六十年代，化学家们就开始探讨“配位聚合物”的概念，但真正让它从理论的天堂走向现实的舞台，离不开三位科学家的开创性工作。他们的发现让化学家们能够像搭乐高积木一样，理性地设计材料，彻底告别了传统的“试错式合成”方法，为化学领域带来了一场革命性的变革。

如今，全球已经开发出成千上万种MOF，它们的应用领域如同繁星般遍布环境、能源、医疗等各个重要领域。瑞典皇家科学院郑重指出，这项发明“为人类应对21世纪的重大科学与环境挑战提供了新的有力工具，是人类在科学道路上迈出的重要一步”。

故事要从1974年那个充满探索激情的年份说起。那一年，罗布森在墨尔本大学为学生精心准备化学课。他就像一位技艺精湛的工匠，用木球代表原子，用木棒代表化学键，亲手制作分子模型。在摆弄这些模型的过程中，他的思维如同脱缰的野马，在科学的草原上肆意驰骋。突然，一个灵感如闪电般划过他的脑海：原子的连接方式本就蕴含着丰富的几何信息，这就像是大自然隐藏的一把神秘钥匙，为什么不利用这种特性，让分子像积木一样自动组装成更大的结构呢？

这个念头让他兴奋不已，仿佛发现了一个全新的科学宝藏。然而，验证这个想法的过程却充满了艰辛和挑战，就像在黑暗中摸索前行。直到1989年，经过十多年的不懈努力，他终于在实验室里实现了重大突破。他以钻石晶体为灵感源泉——钻石中每个碳原子都连接着四个邻居，形成了一个坚固而美丽的金字塔状结构。罗布森大胆地用带正电的铜离子取代碳原子，再配上一个“四臂”有机分子：四氰基四苯基甲烷。每个臂的末端都有吸引铜离子的腈基（-CN）。

实验结果令人惊叹不已！这些成分并没有像人们担心的那样乱成一团，而是自动排列成了一个有序的三维晶体。这个晶体内部布满了巨大的空腔，就像一个镶嵌着无数“房间”的豪华钻石宫殿。罗布森满怀激动地在《美国化学会志》上发表了论文，首次提出了这类分子网络的巨大潜力。他预言，这种材料将赋予化学前所未有的性质，可以用作高效的催化剂或离子交换介质，为化学领域带来新的突破。

然而，早期的MOF确实非常脆弱，就像一座摇摇欲坠的纸牌屋，容易坍塌。因此，它被同行嘲笑为“没用”的东西。但罗布森并没有被这些质疑声打倒，他就像一位坚定的航海家，在科学的海洋中继续探索。他继续合成多种含空腔的分子网络，不断优化和改进。他通过实验证明了分子能够在这些空腔中自由地进出流动，并首次提出了“理性设计”（rational design）的概念：化学家可以像一位技艺高超的建筑师一样，按照需求定制材料的结构和功能。这扇“分子建筑”的大门，就此被他勇敢地推开。

罗布森的贡献不仅仅在于发明了MOF。他就像一位先知，用自己的智慧和热情唤醒了年轻一代科学家。其中，日本的北川进和美国的亚吉，正是受他的启发，接过了推动MOF领域发展的接力棒。

北川进的研究哲学深受中国古代思想的深刻影响。他常常引用庄子的话：“无用之用，方为大用。”在他看来，世界上许多看似无用的事物，往往隐藏着巨大的潜力和价值。他还受到日本诺贝尔物理学奖得主汤川秀树的启发，坚信看似无用的发现，就像一颗沉睡的种子，在适当的条件下会生根发芽，最终长成参天大树，往往蕴含着巨大的潜力。

1992年，北川进开始了一场大胆的探索之旅。他成功构建出一种二维分子材料：金属离子作为角点，有机分子连接成网格，空腔中可以容纳丙酮分子。虽然这种材料的功能在当时还比较有限，但这是首次在分子层面实现了有序多孔结构，就像在微观世界中搭建起了一座坚固的桥梁。然而，评审者一开始并不认可他的成果，他们以“不稳定、无实用性”为由拒绝了他的论文。但北川进并没有因此而放弃，他就像一位执着的艺术家，坚信自己的作品有着独特的价值。

1997年，他的团队取得了革命性的突破。他们用钴、镍或锌离子与4,4′ - 联吡啶分子搭建出了三维MOF。干燥后，这些材料保持了良好的稳定性，内部形成了交错的空腔通道，就像一个错综复杂的地下迷宫。这些通道能够吸附和释放甲烷、氧气、氮气等气体，而结构却保持不变。更神奇的是，与传统多孔材料如沸石相比，MOF具有柔韧性强的特点，能像“呼吸”一样伸缩变化，仿佛是一个有生命的微观世界。

1998年，北川进在《日本化学会会报》上发表了具有里程碑意义的论文，系统阐述了MOF的优势：它可以由多种金属和有机分子组成，功能可以根据需求进行定制；具有“可呼吸性”，区别于刚性的沸石。这篇论文奠定了MOF的科学基础，让它从“无用”走向了“独特”，成为了化学领域的一颗新星。北川进的温和性格也让他成为了领域的“粘结剂”，他自喻为“雷龙”，以自己的包容和团结精神，团结了全球的科学家，包括与亚吉的长期合作，共同推动了MOF领域的发展。

有趣的是，北川和亚吉可谓“师兄弟”。他们很早就开始了合作，还都对中国文化充满了热爱，常常来访学。北川的实验室有许多中国学生，他赞赏他们的动手能力和创造力，就像一位欣赏宝藏的收藏家，对中国学生的才华赞不绝口。

奥马尔·亚吉的经历就像一部充满励志色彩的电影。他出生于约旦安曼的一个贫困家庭，与众多兄弟姐妹挤在一个狭小的单间屋里，那里没有电，也没有自来水，生活条件十分艰苦。然而，命运并没有磨灭他对知识的渴望。10岁时，他偷偷溜进学校图书馆，就像一个探险家发现了一个神秘的宝藏世界。他抽出一本化学书，被书中那些奇妙的分子结构图深深迷住，从此，他对化学的热爱就像一颗燃烧的火焰，在心中熊熊燃烧。

11岁移居美国时，亚吉甚至连英语都不流利，但他凭借着顽强的毅力和对化学的热爱，克服了重重困难。15岁他就进入了大学，就像一颗迅速崛起的新星，在学术的天空中闪耀着光芒。24岁，他成功拿到了博士学位，开启了自己辉煌的科研生涯。1992年，在亚利桑那州立大学建立实验室后，他怀揣着“理性设计”的梦想，就像一位追求完美的艺术家，致力于用化学成分组装大晶体。1995年，他在《自然》杂志上发表了具有重要意义的论文，成功合成出由铜或钴连接的二维网络晶体，其中一种晶体稳定到350°C。他正式提出了“金属有机框架”（MOF）这一名称，定义了由金属节点和有机配体组成的规则空腔晶体，为MOF领域的发展奠定了坚实的基础。

1999年，亚吉推出了他的巅峰之作——MOF - 5。这种材料异常稳定，空腔巨大，几克样品的内部表面积相当于一个足球场，就像一个微观世界的巨大仓库。即使加热到300°C，它也不会坍塌，比传统的沸石能够吸附更多的气体。这篇论文就像一颗重磅炸弹，在MOF研究领域掀起了热潮，推动了材料开发进入“设计时代”，让化学家们能够更加精准地设计和控制材料的性能。

亚吉并没有满足于已有的成就，他继续扩展MOF家族，开发出了16种变体，用于储存甲烷、捕获二氧化碳等多个领域。2002 - 2003年，他在科学》和《自然》等顶级学术期刊上发表了论文，展示了调控MOF孔径和功能的方法。其中，“空中取水”实验令人惊艳：在亚利桑那沙漠，MOF夜晚吸附空气水汽，就像一个勤劳的小水滴收集器；白天阳光加热释放饮用水，为解决干旱地区的饮水问题提供了新的思路。

亚吉的激情感染了他身边的每一位学生。他的中国学生、北京理工大学教授王博回忆说，亚吉是一位“纯粹的科学家”，他一生未婚，全身心投入到研究中，就像一个不知疲倦的探索者。有一次，他们讨论论文到深夜，亚吉凌晨1点还打电话叫醒王博，坚持早上7点继续讨论，这种对科学的执着和热情让人敬佩不已。亚吉的实验室有许多中国学生，许多重要的MOF成果都出自他们之手。王博团队如今开发仿生MOF，用于离子通道，传输效率高，有望实现工业应用，为MOF领域的发展注入了新的活力。

那么，MOF究竟是什么呢？用通俗的比喻来说，它是分子世界的“超级公寓楼”。金属离子（如铜、锌、钴）就像坚固的“支柱”，撑起了整个建筑的结构；有机分子（碳基长链）则像灵活的“墙壁和梁”，构建出了公寓的各个房间。通过化学键的自组装，它们形成了一个三维网格，就像一个精心设计的城市布局。而这个“超级公寓楼”的关键在于内部的空腔和通道，它们就像海绵或蜂巢一样，几克材料的表面积就能达到足球场那么大，为分子提供了广阔的活动空间。

MOF的三大特性让它在一众材料中脱颖而出：

这些特性让MOF远远超过了传统材料。诺奖委员会强调，MOF开启了“网格化学”，在分子层次控制物质，为化学家们提供了操控分子的广阔空间，就像为科学家们打开了一扇通往微观世界新奥秘的大门。

MOF的应用就像雨后春笋般不断涌现，已经有上万种变体投入到研究中。以下是它在几个重要领域的亮点应用：

捕获二氧化碳是当今全球面临的当务之急。传统碳捕获成本高，分离步骤占70%，就像一个效率低下的过滤器。而MOF如CALF - 20吸附CO₂能力强，就像一个高效的空气净化器，已经在加拿大工厂进行测试，为减少温室气体排放提供了新的解决方案。UiO - 67能从水中吸附PFAS（永久性污染物），就像一个精准的污染物捕手，用于净水，保护我们的水资源。ZIF - 8可以回收废水中稀土元素，减少污染，就像一个资源的回收站，实现了资源的循环利用。

在干旱地区，水资源就像珍贵的黄金一样稀缺。MOF - 303夜晚捕获沙漠空气水汽，就像一个勤劳的露水收集者；白天加热释放饮用水，为缺水地区的人们提供了生存的希望。亚吉团队的沙漠实验证明，这能为缺水地区提供切实可行的解决方案，就像在干旱的土地上开辟了一片绿色的绿洲。

MOF在储存氢气或甲烷方面具有安全高效的优势。NU - 1501在常压下储氢，比高压罐更安全，就像一个安全的氢气仓库，推动了氢能汽车的发展。MIL - 101可以储存二氧化碳或氢气，还能催化原油分解，就像一个多功能的能源转换器，为能源的存储和利用提供了新的途径。

MOF在医疗和日常生活中的应用也越来越广泛。它可以递送药物，精准释放到病灶，就像一个智能的药物输送系统，提高药物的治疗效果。包裹酶分解抗生素残留，或捕获水果乙烯气体，延长保鲜，就像一个食品保鲜的魔法师。在半导体工厂，MOF捕获剧毒气体，确保安全，就像一个忠诚的卫士，保护着工作人员的生命安全。

三位科学家的发明，让化学进入了“分子建筑时代”。正如诺贝尔遗嘱所言，这项研究“为人类带来最大的福祉”。面对气候变暖、水危机和能源转型等全球性挑战，MOF为我们提供了新的有力工具。一些科学家预测，它将成为“21世纪的材料”，引领我们走向一个更加美好的未来。然而，挑战依然存在：如何大规模生产、降低成本，就像一座等待攀登的高峰，需要我们继续努力和探索。

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来源：华远系统一点号