摘要：2025年10月，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）与奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi）三位化学家，以表彰他们“在网状化学领域开创并实现了金属有机框架（MOF）的精准

2025年10月，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）与奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi）三位化学家，以表彰他们“在网状化学领域开创并实现了金属有机框架（MOF）的精准构筑”。他们把化学变成了建筑学，让材料第一次拥有了“按需定制”的灵魂，也为气候、能源和水资源三大危机同时提供了一条可大规模复制的出路。

2025年诺贝尔化学奖得主北川进、理查德•罗布森与奥马尔•亚吉。（图片来源：诺贝尔奖官网）

改变世界的工具

MOF 的“出身”可以追溯到配位化学，只要原子带有局部电子云，不管是胺基、羧酸、醚、醇、酰胺，还是杂环、烯烃、炔烃，几乎都能围到金属离子身边“排排坐”，形成各式各样稳定的三维骨架。金属给出多少电子、怎么排列，配体又长什么模样，共同决定了最终搭出的分子“脚手架”是什么形状。一百多年过去，化学家仍在这一汪深水里不断探新，远未见底。

这门学问的分量重得惊人。1913年，阿尔弗雷德·维尔纳（Alfred Werner）凭配位化学捧回第一座无机化学诺贝尔奖。人体血液里，铁离子通过配位抓取氧气，维系每一次呼吸。植物的光合作用、万千含金属辅酶的催化反应，同样依赖这一原理。地学领域，矿物晶格的理解离不开配位视角；工业世界更比比皆是：哈伯法合成氨（1916年诺奖）制肥料、齐格勒-纳塔聚合（1963年诺奖）造塑料——所有关键步骤都绕不开金属中心与配体的“握手”。可以说，配位化学默默托起了现代农业、制造业和生命本身。但直到1980年代末，这类材料才真正落地。

20世纪80年代末，墨尔本大学的理查德·罗布森在一次实验课上把铜离子和含碳的有机分子混在一起，本想让学生看看配位反应的颜色变化，却意外得到了一串蓝色晶体。X射线照射的结果让所有人都愣住了：晶格跟金刚石一样规整，却像被虫子蛀过，到处都是孔。金刚石的原子挤得密不透风，而他的“仿制品”里，空隙占了将近七成。没人想到，这些看似浪费的“空房间”后来成了储存气体、净化污水的秘密武器。

因为这次偶然，罗布森的名字写进了2025年诺贝尔化学奖的名单，与他并肩的是日本京都大学的北川进和美国加州大学伯克利分校的奥马尔·亚吉。罗布森的文章发表后，学界只是把它当作“有趣的配位聚合物”。真正让材料“活”起来的是北川进。

1997年左右，他把刚性配体换成带有柔性链的分子，MOF第一次像肺泡一样“鼓”起来：吸附气体时框架膨胀，释放后又缩回原状。北川证明，甲烷、氮气、氧气可以顺畅进出，而更大的分子被挡在门外——分子筛的功能由此确立。

几乎同时，亚吉在亚利桑那州的实验室里用锌离子和对苯二甲酸“搭积木”。1999年，他得到一种名为MOF-5的白色粉末：空腔大、孔道规整，最关键的是“空载”也不塌。只有方糖大小的几克材料，表面积却铺开成一座足球场。评审委员形容它“像海绵一样，能吸进海量气体”。从此，MOF不再只是学术“玩具”，而成了可以量化生产、面向工业的多孔新材料。

MOF如何颠覆世界

MOF的本质很简单：把能催化或选择性抓分子的金属簇当作“节点”，用可设计的有机分子当“连杆”，像拼乐高一样搭成三维格子。

格子内部是整齐而巨大的空腔，1克材料的表面积就能铺成一座足球场。更关键的是，换一根连杆、改一个金属，孔径大小、内壁化学性质甚至骨架柔性都随之变化，相当于给分子量身定做“房间”。

这种前所未有的可调性，让MOF跳出传统多孔材料的“死框架”，拥有了活功能。全球科学家都在挖掘这些框架的潜力：有人想用它吸走大气里的温室气体；也有人想让它清理工业场地的污染；还有人盯上沙漠夜空里稀薄的水汽，希望把干燥空气变成饮用水。

目前，堪称“分子海绵”的MOF已步入癌症放疗的临床试验，也被商业化用于封存水泥厂排放的二氧化碳，并为制氢提供燃料；同时，研究人员正尝试利用它在干旱地区从空气中取水、净化废水、清除环境中的全氟和多氟烷基物质（PFAS），以及实现靶向给药。

在新闻发布会上，亚吉提到，这类框架还能用于封存神经毒剂等极端场景。“MOF开辟了其他材料无法涉足的新应用路径。”他说。MOF介于化学与材料科学之间：把金属离子和含碳有机分子用“分子铆钉”扣在一起，便形成可无限重复的晶体单元，像搭积木般堆出笼状孔道。这些笼子可以是一维通道，也可以是三维网络。只要换金属或换连杆，就能让孔径变大或变小，而所有孔洞几乎尺寸一致。

“孔洞就是MOF的力量所在。”犹他大学材料科学家臧凌（Ling Zang）说。他正用这类框架从水中“打捞”PFAS。MOF的多孔特性意味着只需少量粉末，就能吞下大量目标污染物——孔径可以小于1纳米，也能扩展到几纳米。

诺贝尔化学委员会特意强调了MOF“以小博大”的惊人容量，一位委员甚至把它比作《哈利·波特》里赫敏的小包：外表不起眼，内里却装得下整个衣橱。要清除PFAS，孔径必须与污染物尺寸严丝合缝：这类化学品有的链段只含两个碳原子，有的则长达八到十个。北川进也正在带领实验室成员把MOF推向新阶段：他们做出可以“呼吸”的柔性骨架，让气体自由进出；亚吉则与合作伙伴反复调试金属离子与有机连杆的组合，使框架变得愈发坚固。

芝加哥大学林文斌（Wenbin Lin ）团队创制的RiMO-301率先走进医学领域。这种MOF目前处于I期临床阶段，用于提高某些癌症的放疗效果。治疗前将RiMO-301直接注入肿瘤，再施以低剂量射线。

从一块会“呼吸”的晶体，到捕碳、造水、去污、回收稀土，MOF把“分子设计”变成了“材料工程”，让实验室里的化学方程式走出象牙塔，直接参与解决气候、资源、健康等全球性难题。正如诺奖公告所言：“化学最伟大的力量，是构建分子以应对人类挑战。”如今，三位获奖者的“原子乐高”已为我们打开了一扇新的大门——未来世界，也许就藏在这方寸之间的孔洞之中。

南方周末特约撰稿 祝叶华

责编 朱力远

来源：南方周末