为化学创造“新空间”的三位先驱

　　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・M・亚吉，以表彰他们开发金属有机框架（MOF）材料的开创性贡献。瑞典皇家科学院用“为化学创造了新空间”这句评价，精准概括了这项成果的核心价值——它不仅诞生了一类新材料，更重塑了人类设计分子材料的思维方式。

一、MOF是什么？分子尺度的“晶体宫殿”

　　金属有机框架是一种精巧的“分子建筑”，其结构原理堪比微观世界的“搭积木”：

　　结构组成：以金属离子（如铜、锆离子）为“角点”或“支柱”，以含碳有机分子（如四臂状分子）为“横梁”或“连接链”，通过化学键自组装成三维晶体结构。

　　核心特征：内部布满规则空腔，且具有三大优势

a．超高比表面积：最高可达7800㎡/g，几克材料的表面积能覆盖一个足球场，远超活性炭等传统材料；

b．可定制性：更换金属离子或有机分子，就能调整孔径大小与功能，像建筑师设计房屋一样定制材料特性；

c．柔性与稳定性：部分MOF能像“呼吸”般可逆形变，且亚吉合成的MOF-5可在300℃高温下保持稳定。

这种结构让MOF成为“分子海绵”，能吸附、储存或分离气体、液体分子，为解决能源、环境难题提供了新工具。

二、先驱者的突破：从理论到实用的跨越

　　三位科学家的贡献形成了完整的“理论-实验-应用”链条：

1.理查德・罗布森（理论先驱）

　　1989年，他首次用铜离子与四臂有机分子合成出有序空旷的晶体结构，宛如“分子宫殿”，并在论文中提出“通过设计构建新材料”的思路，为MOF领域奠定理论蓝图。当时的结构虽不稳定，却打开了分子设计的新大门。

２.北川进（功能探索者）

　　1990年代，他通过实验证实气体可自由进出MOF空腔且不破坏结构，首次发现MOF的“柔性特征”，并提出“多孔配位聚合物（PCPs）”概念，为MOF的动态功能应用（如气体分离）奠定基础。

3.奥马尔・M・亚吉（实用推动者）

　　被称为“MOF之父”的他，1999年合成出标志性的MOF-5，解决了早期材料稳定性差的问题；更提出“网状化学”理论，将材料合成从“试错法”升级为“拓扑蓝图设计法”，推动MOF从实验室走向应用。他还开创了MOF在储氢、碳捕获等领域的应用方向。

三、改变世界的应用：从沙漠取水到癌症治疗

　　MOF的潜力已渗透到人类面临的重大挑战中：

1.应对水资源危机

　　空气取水：在相对湿度仅30%的沙漠地区，MOF可吸收自身重量80%的水分，为干旱地区提供饮用水来源；

　　污水净化：能高效吸附水中的“永久污染物”PFAS（全氟化合物）和抗生素残留，净化水质。

2.助力清洁能源与碳中和

　　气体储存：在77K（液氮温度）下储氢量达7.5wt%，可用于氢能源汽车储气；还能安全储存砷化氢等有毒气体，降低工业风险；

　　碳捕获：吸附发电厂、工厂排放的二氧化碳，或直接从空气中捕捉温室气体，转化率最高达97.7%。

3.推动医疗与催化革新

　　药物载体：作为姜黄素等药物的载体，可将其生物利用度提升3.2倍，还能追踪药物在体内的运动路径；

　　高效催化：中国科大团队发现锆基MOF催化二氧化碳还原为甲酸根的效率，是传统催化剂的4.6倍。

四、科学意义：化学研究的“方法论革命”

　　MOF的诞生不仅是材料创新，更改变了化学研究的逻辑：传统化学依赖“混合物质-偶然发现”的试错模式，而MOF技术实现了“理性设计-定向合成”的跨越——化学家可在分子层面“规划空间”，按需创造材料。

　　如今，全球已有数万种MOF被合成，仅中国就有超过100个实验室投身相关研究。从实验室到产业界，这种“分子建筑术”正让化学从“认识物质”走向“创造物质”。

来源: 宁夏机械工程学会