2025年诺贝尔化学奖揭晓：三位科学家因开创金属有机框架材料获奖

今日新闻 2025年10月10日 03:45 0 admin

斯德哥尔摩时间 10 月 8 日，瑞典皇家科学院宣布，将 2025 年诺贝尔化学奖授予三位在“金属有机框架”领域做出开创性贡献的科学家：日本京都大学的 Susumu Kitagawa、澳大利亚墨尔本大学的 Richard Robson 以及美国加州大学伯克利分校的 Omar M. Yaghi。他们将平分 1100 万瑞典克朗的奖金，以表彰他们“对金属有机框架（metal-organic frameworks, MOFs）的开发”。这三位化学家所创造的分子建筑，为人类应对气候变化、环境污染和能源储存等全球性挑战开辟了全新路径。

（来源：Nobel Prize）

诺贝尔化学委员会主席 Heiner Linke 在新闻发布会上表示，金属有机框架材料具有巨大潜力，为定制设计具有全新功能的材料带来了前所未有的机遇。这些由金属离子作为“拐角”或节点，由有机分子作为“连杆”或支柱，通过自组装方式搭建起来的高度有序的晶体结构，其内部充满了微观尺寸的孔洞。正是这些可以被精确设计的孔洞，赋予了化学家们前所未有的能力，去捕获、储存、分离特定的分子，甚至在其中催化化学反应。从沙漠空气中收集饮用水，到从工业废气中捕获二氧化碳；从过滤水中微量的药物残留和全氟及多氟烷基物质，到为氢能源汽车设计更安全高效的储气罐，MOFs 展现的应用图景几乎无所不包，被部分研究者誉为“21 世纪的材料”。

这个故事要从 1974 年的一个普通教学日讲起。当时在墨尔本大学任教的 Richard Robson 正在为学生准备一堂经典化学课，课程内容是用木球和木棒搭建分子模型。为了让模型能够正确工作，他需要大学工坊在木球上钻孔，以便插入代表化学键的木棒。但这些孔洞不能随意安排，每种原子——无论是碳、氮还是氯——都以特定方式形成化学键，孔洞位置必须精确对应。当工坊将打好孔的木球送回时，Robson 在组装过程中突然意识到，这些孔洞的位置中蕴含着大量信息。模型分子会自动呈现出正确的形状和结构，仅仅因为孔洞位置的安排。这个发现引发了他的下一个想法：如果利用原子的固有属性来连接不同类型的分子，而不是单个原子，会发生什么？能否设计出全新类型的分子建筑？

这个想法在 Robson 的脑海中盘桓了十多年。每年当他拿出木制模型教授新学生时，同样的念头都会浮现。直到上世纪八十年代末，他终于决定付诸实践。他从一个非常简单的模型开始，灵感来自钻石结构——在钻石中，每个碳原子与其他四个碳原子键合，形成微小的金字塔形。

图丨在金刚石中，每个碳原子以金字塔状连接到四个其他碳原子（来源：Nobel Prize）

Robson 的目标是构建类似结构，但他使用的是带正电的铜离子。与碳原子一样，这些铜离子也倾向于周围有四个其他原子。他将铜离子与一种具有四条"手臂"的分子结合，这个分子名为 4',4'',4''',4⁗-四氰基四苯甲烷（4',4'',4''',4⁗-tetracyanotetraphenylmethane），每条手臂末端都有一个腈基团，这种化学基团会被带正电的铜离子吸引。

当时的大多数化学家都会认为，将铜离子与这种四臂分子混合只会产生一团乱麻般的离子和分子。但结果却出乎意料地符合 Robson 的设想。正如他预测的那样，离子和分子之间的固有吸引力发挥了作用，它们自发组织成了一个巨大的分子构造。就像钻石中的碳原子一样，它们形成了规则的晶体结构。然而与钻石这种致密材料不同，这种晶体内部包含大量巨大的空腔。1989 年，Robson 在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上发表了这一创新性化学创造。在论文中，他对未来进行了推测，认为这可能提供一种构建材料的新方法，这些材料可以被赋予前所未见且可能有益的性质。事实证明，他预见了未来。

Robson 的开创性工作揭示了一条通往新世界的道路，但他最初的结构相当脆弱，容易坍塌，这使得许多化学家对其应用前景持怀疑态度。然而，这颗思想的种子已经播下，并即将由另外两位科学家——Susumu Kitagawa 和 Omar Yaghi——分别在地球的两端，浇灌成参天大树。在 1992 年到 2003 年间，他们各自独立取得的一系列革命性发现，为这门新兴的分子建筑学奠定了坚实的根基。

远在日本的 Susumu Kitagawa，其科研生涯深受日本首位诺贝尔奖得主汤川秀树（Hideki Yukawa）引述的中国古代思想家庄子思想的影响——“无用之用，方为大用”。这种哲学观让他得以在研究初期，顶住外界对于“不稳定、无目的”的质疑。

图丨汤川秀树（来源：Wikipedia）

1992 年，Kitagawa 发表了他的第一个金属有机框架结构：一个基于铜离子和吡嗪、乙腈的二维网络，其空腔中可以容纳丙酮分子。虽然这个结构在实用性上还不够理想，但它代表了一种关于分子建筑的新思维方式。Kitagawa 想继续探索，但当他向研究资助机构申请经费时，却屡屡碰壁——评审们认为这些材料既不稳定又没有明确用途，不值得投资。

但 Kitagawa 没有放弃。1997 年，他迎来了首次重大突破。他使用钴、镍或锌离子与一种名为 4,4'-联吡啶的有机分子，以及硝酸根作为辅助配体，成功合成了一种被他称为“舌槽式”（tongue-and-groove）的三维框架结构。这种结构的几何特征是突出的“舌”嵌入相邻的“槽”中，形成层状排列。更重要的是，这些结构内部布满了开放的通道，在去除填充其中的水分子后依然能保持稳定，并且能够在室温下可逆地吸收和释放甲烷、氮气和氧气等气体，而自身结构不受影响。这是 MOF 材料首次展现出实用的气体吸附功能，标志着该领域从纯粹的结构化学探索走向功能材料开发。

图丨1997 年，Kitagawa 成功制备出一种被开放通道交错的金属有机框架（来源：Nobel Prize）

然而，研究资助者仍然犹豫不决。当时化学家们已经有了沸石——一类由硅铝酸盐构成的稳定多孔材料，已在工业上广泛应用于气体分离和催化。既然有了成熟的沸石技术，为什么还要开发这种看起来不那么稳定的新材料呢？Kitagawa 明白，如果要获得重大资助和学界认可，他必须阐明 MOFs 的独特价值所在。1998 年，他在《日本化学会会报》上发表了一篇具有里程碑意义的展望文章。在这篇文章中，他系统地提出了 MOFs 相对于传统多孔材料的根本优势：首先，MOFs 可以由几乎无限多种金属和有机分子组合而成，这赋予了它们难以想象的结构和功能多样性；更重要的是，与硬脆的沸石不同，MOFs 包含柔性的有机连接单元，可以被设计成能够响应外界刺激而动态变化的“软材料”。

Kitagawa 随即提出了一个影响深远的概念框架，将 MOFs 分为三代：第一代是在去除客体分子后会坍塌的不稳定结构；第二代是能够稳定地、可逆地吸附和释放客体分子而保持结构完整性的框架；第三代则是他预言的“软多孔晶体”——这类材料的框架结构本身是柔性的，能够根据外部条件（如压力、温度）或客体分子的性质而动态地收缩、膨胀或扭曲，就像生物体内的蛋白质一样。这一构想在当时是革命性的，因为它意味着 MOFs 不再仅仅是静态的分子容器，而可能成为能够“呼吸”、能够“感应”环境的智能材料。几年后，包括 Kitagawa 自己在内的多个研究团队成功合成了这类柔性 MOFs，证实了他的预言。事实上，他 1997 年合成的那个“舌槽式”结构后来也被证明具有柔性特征。

与此同时，在美国的 Omar Yaghi 也在探索一种更可控、更具设计性的材料合成方法。Yaghi 生于约旦安曼的一个缺少水电的家庭，对他而言，科学是逃离困顿生活的避难所。他厌倦了传统化学合成中“一锅烩”式的、充满不可预测性的反应。他渴望一种如同搭积木般的化学，能够通过理性设计，将精心挑选的化学构件精确地组装成宏大的结构。1995 年，Yaghi 在《自然》（Nature）杂志上发表了一种稳定的二维网状结构，并首次铸造了“金属有机框架”（metal-organic framework）这个术语。

而真正让整个化学界为之震动的，是他在 1999 年推出的 MOF-5。这个由含锌团簇和有机酸分子构成的框架，展现出出色的稳定性，即使在真空环境下加热到 300 摄氏度也能屹立不倒。更令人惊讶的是其巨大的内部比表面积——理论计算表明，几克 MOF-5 粉末内部孔隙展开的面积，足以媲美一个标准足球场。这意味着它在气体吸附能力上，远远超越了当时所有的沸石材料。

图丨1999 年，Yaghi 合成了一种非常稳定的材料 MOF-5，具有立方形空腔。（来源：Nobel Prize）

MOF-5 的诞生，宣告了 MOF 研究从“可能性探索”进入了“实用性开发”的新纪元。在此基础上，Yaghi 进一步系统化了 MOF 的设计哲学，提出了“网状化学”（Reticular Chemistry）的全新概念。这一理论框架，使得科学家们能够像建筑师一样，通过更换不同长度或功能的“连杆”分子，在保持整体拓扑结构不变的前提下，精确地定制孔洞的大小和化学环境，从而系统地创造出具有不同特性的 MOF 家族。

Robson 的原始构想、Kitagawa 的柔性发现、以及 Yaghi 的稳定结构与系统设计理论，共同构成了现代 MOF 科学的三大支柱。他们的工作，将化学合成从过去依赖试错和偶然发现的“艺术”，转变为一门可以精确预测和理性设计的“科学”。在他们奠定的基础上，全球的化学家们如今已经创造出数以万计种结构各异、功能不同的 MOFs。

这些“分子海绵”的现实应用正在从实验室走向工业化。例如，Yaghi 的团队已经开发出能在亚利桑那州的干燥夜晚从空气中捕获水蒸气，并在白天阳光照射下释放出纯净饮用水的 MOF 材料。在加拿大，一种名为 CALF-20 的 MOF 因其卓越的二氧化碳捕获能力，正在工厂进行工业规模的测试。而在新能源领域，为解决氢气储存难题而优化的 NU-1501 材料，可以在常压下安全地储存和释放氢气，为燃料电池汽车的普及扫清了一大障碍。此外，清除水体中的微量污染物、在战争中分解化学武器毒剂、作为药物载体精准递送药物……MOFs 的应用清单每天都在变长。

诚然，从实验室的克级制备到工业化的大规模生产，MOFs 仍面临着成本、稳定性及生产工艺等方面的挑战。但这无损于三位获奖者贡献的根本价值。他们给予世界的，远不止一种新材料，而是一套功能强大、近乎无限可调的“分子乐高”和一种全新的设计思想。他们用数十年的坚持证明，在很多时候，最坚实的根基往往铺垫于那些最初看似“无用”的土壤之中。

参考资料：

1.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/press-chemistryprize2025.pdf

2.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/popular-chemistryprize2025-1.pdf

3.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/advanced-chemistryprize2025.pdf

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