2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主的照片，圖片來源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)

2025 年 10 月 8 日北京時(shí)間 17 時(shí) 45 分，瑞典皇家科學(xué)院決定將2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予北川進(jìn)（Susumu Kitagawa，日本）、理查德·羅布森 （Richard Robson，英國）、奧馬爾·M.亞吉（Omar M. Yaghi，約旦裔美國籍）三位科學(xué)家，以表彰他們在金屬有機(jī)框架（metal-organic framework，MOF）領(lǐng)域所做出的貢獻(xiàn)。

是你在開獎(jiǎng)前看好的學(xué)者與研究領(lǐng)域嗎？在我們之前發(fā)布的2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)A(yù)測文章里，這三位獲獎(jiǎng)?wù)咧械膬晌唬粶?zhǔn)確預(yù)測到了！ （點(diǎn)此查看）

由于2024年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)都授予了與AI相關(guān)的研究，而近幾年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)又頻繁偏向與生物學(xué)、物理學(xué)等交叉的領(lǐng)域，因此在今年的獲獎(jiǎng)?wù)呙麊谓視灾埃S多學(xué)者便已經(jīng)展開熱烈討論，他們好奇今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)究竟是會繼續(xù)青睞那些“聽起來不太化學(xué)”的跨學(xué)科研究？還是會回歸更加傳統(tǒng)與純粹的化學(xué)領(lǐng)域？

如今答案已經(jīng)揭曉。此次獲獎(jiǎng)的金屬有機(jī)框架（MOF）材料雖然與材料科學(xué)領(lǐng)域存在交叉，但它的核心仍然是一項(xiàng)極為純粹的化學(xué)創(chuàng)新。更可貴的是，該領(lǐng)域研究的“源頭之光”——理查德·羅布森同樣獲得了獎(jiǎng)項(xiàng)。這體現(xiàn)了諾貝爾獎(jiǎng)評定中對于學(xué)術(shù)原創(chuàng)精神的尊重與肯定！

評獎(jiǎng)現(xiàn)場的照片，圖片來源：央視新聞

他們的獲獎(jiǎng)同時(shí)也彰顯了一個(gè)事實(shí)：即便在如今AI浪潮與交叉學(xué)科盛行的時(shí)代背景下，較為純粹與傳統(tǒng)的化學(xué)研究同樣能夠取得卓越成就。今年的獲獎(jiǎng)成果，尤其展示了傳統(tǒng)化學(xué)家所獨(dú)有的審美、銳敏的洞察和務(wù)實(shí)的開拓！

化學(xué)家的純粹與浪漫——像搭“樂高積木”一樣制造新材料

當(dāng)下快節(jié)奏的生活似乎讓人們忘記了許多淳樸的浪漫，以科學(xué)為例，它其實(shí)從來都不只是冰冷的數(shù)據(jù)與公式，或是對眼下生產(chǎn)效率的短暫追求?？茖W(xué)方面的工作，在本質(zhì)上也是一種對美的持續(xù)創(chuàng)造，它源自人類對自然規(guī)律與秩序的由衷好奇與執(zhí)著探索。

許多偉大的科學(xué)研究，其最初的靈感，都源自于對探究自然規(guī)律的熱愛，以及學(xué)者基于自身學(xué)識、性格、經(jīng)歷等，所培養(yǎng)出的獨(dú)特審美與品位。

比如，本次獲獎(jiǎng)?wù)咧坏睦聿榈隆ち_布森，他開創(chuàng)這項(xiàng)偉大研究的靈感起源，其實(shí)是最基本的教學(xué)備課手工活。

1974年，在澳大利亞墨爾本大學(xué)內(nèi)，理查德·羅布森當(dāng)時(shí)正為了備課，而在用木球和木棍制作原子模型。這種模型是化學(xué)課堂上常見的教學(xué)工具，其中的木球代表原子，用來連接木球的木棍則代表化學(xué)鍵。

而就在那時(shí)，羅布森突然意識到——這種模型中所預(yù)設(shè)的連接孔洞的位置和角度其實(shí)蘊(yùn)含著原子成鍵規(guī)律！這讓他萌生出一個(gè)大膽的設(shè)想。能不能利用這種規(guī)律，讓人們像拼積木一樣，用原子固有的成鍵特性來連接不同類型的分子（而非單個(gè)原子），從而創(chuàng)造出全新類型的分子結(jié)構(gòu)呢？

直到十多年后，他才終于動手實(shí)現(xiàn)了這個(gè)想法。受鉆石晶體結(jié)構(gòu)啟發(fā)，羅布森用帶正電的銅離子（Cu?）取代碳原子，去與一種“四臂有機(jī)分子”結(jié)合。這就好像我們拼樂高積木時(shí)，只要看準(zhǔn)接口，就可以較為隨意地去嘗試不同的拼搭。

理查德·羅布森利用銅離子和一個(gè)帶有四條臂的分子做出的有序且蘊(yùn)含大量空腔的晶體，圖片來源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)

然而對于這樣的嘗試，當(dāng)時(shí)的多數(shù)化學(xué)家卻并不看好。他們認(rèn)為這種“胡搭亂造”會生成亂糟糟的混合物。而出乎他們預(yù)料的是，離子與分子間的相互作用（引力）引導(dǎo)讓這個(gè)拼搭過程高度有序，最終形成的竟然是規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，并且其中蘊(yùn)含著大量空腔！

那時(shí)候在自己發(fā)表的論文中，羅布森還曾預(yù)言，這種擁有前所未有特性的材料必定蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)用潛力！從如今的結(jié)果來看，他當(dāng)初的判斷果真極具前瞻性！

化學(xué)家的堅(jiān)定與堅(jiān)持——在不被看好的“廢料場”中尋寶

在如今這個(gè)“信息爆炸”的時(shí)代，我們似乎總急著去追逐一個(gè)又一個(gè)新熱點(diǎn)，時(shí)刻害怕被潮流拋在身后。但可別忘了，許多驚艷人類文明的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)與研究，其實(shí)都曾一度被埋沒在不被看好的“廢料場”里。

“從廢品中尋到寶”需要獨(dú)到的眼光與質(zhì)疑精神，拾起被別人所認(rèn)定的廢料需要一定的勇氣，而憑借自身的學(xué)識與研究，去將“廢品”一點(diǎn)點(diǎn)地修復(fù)、升級、改裝為精品，則更需要長久的堅(jiān)守與堅(jiān)定的毅力。盡管在揭示了分子結(jié)構(gòu)可以“自發(fā)搭建”的可能性后，理查德·羅布森又繼續(xù)探索出了這些新型晶體的更多奇異性能，并非常有前瞻性地指出，經(jīng)過精準(zhǔn)、理性設(shè)計(jì)的新型分子結(jié)構(gòu)或?qū)⒈挥糜诖呋瘜W(xué)反應(yīng)。但由于這些早期的構(gòu)造物并不十分穩(wěn)定，普遍較為容易分解。所以當(dāng)時(shí)學(xué)界的許多化學(xué)家還是將其視為無用之作。

然而就在大多數(shù)人對這個(gè)研究領(lǐng)域搖著頭，轉(zhuǎn)身離開時(shí)，卻又有具備質(zhì)疑精神的孤勇者看見了這片“廢料場”中閃爍的微光。

這就是另一位獲獎(jiǎng)?wù)弑贝ㄟM(jìn)，他秉持著中國古代哲學(xué)家莊子那 “無用之用”的智慧，勇敢地動手“挖掘”起這種在彼時(shí)似乎顯得極為無用的多孔分子結(jié)構(gòu)的潛在價(jià)值。

面對申請經(jīng)費(fèi)被拒絕、諸多提案遭冷落的困境，他從未放棄。終于，在1997年，他制備出第一種結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定、可吸附氣體的三維金屬有機(jī)框架。它能像海綿一樣吸入和釋放甲烷、氧氣和氮?dú)?/strong>。

1997年，北川進(jìn)成功制備出較為穩(wěn)定的金屬有機(jī)框架材料，圖片來源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)

然而，對于北川進(jìn)的研究成果，諸多資助方仍不買賬，他們認(rèn)為明明有性能更優(yōu)的材料也可以實(shí)現(xiàn)類似的功能。這終于激發(fā)北川進(jìn)下定決心去探索金屬有機(jī)框架材料的更多價(jià)值。

他在1998年的《日本化學(xué)會會報(bào)》中列舉了MOF的多種優(yōu)勢，比如其可通過理性設(shè)計(jì)整合更多功能，并且可由柔性分子單元構(gòu)成可塑性材料。

北川進(jìn)提出金屬有機(jī)框架可被制成柔性材料，如今已有大量案例證實(shí)了這個(gè)理論，圖片來源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)

與此同時(shí)，另一位獲獎(jiǎng)?wù)邐W馬爾·亞吉也正在美國“助力”類似方向的研究。

他一直希望能在新材料的設(shè)計(jì)領(lǐng)域有所突破，用一種更可預(yù)測，更為可控的方式制備新材料。當(dāng)他的團(tuán)隊(duì)開始將金屬離子與有機(jī)分子結(jié)合時(shí)，終于取得了突破。此后，亞吉在1995年發(fā)表了相當(dāng)于用銅離子或鈷離子連接而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)被鑲嵌滿客體分子后，這種材料的熱穩(wěn)定性較高，被加熱到350°C也不會坍塌。

在1999年，亞吉發(fā)表了 MOF-5 材料（第5號MOF材料），這是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作，其穩(wěn)定性保證了：即使處于空載狀態(tài)，它也可以在300°C的高溫下保持結(jié)構(gòu)完整而不坍塌。這種材料內(nèi)部的空腔中蘊(yùn)含著巨大的表面積，僅僅幾克該材料的內(nèi)部表面積就相當(dāng)于一個(gè)足球場那么大！

除此之外，亞吉還曾在《自然》雜志的論文中首次提出“金屬有機(jī)框架”這一術(shù)語來描述這種材料。

這三位獲得本屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的學(xué)者用實(shí)踐證明：被質(zhì)疑或忽視的領(lǐng)域，其實(shí)往往隱藏著能夠改變世界的“金鑰匙”。不盲目追求熱點(diǎn)，能夠憑借自身的知識與研究經(jīng)歷，培養(yǎng)出獨(dú)到的科研審美與洞察力，從而在無人問津的廢料堆里，敏感捕捉到閃著光的寶藏，并在他人的質(zhì)疑聲中幾十年如一日地執(zhí)著挖掘……這些或許才是在當(dāng)前的時(shí)代背景下，更為可貴的學(xué)術(shù)勇氣與品格。

著名的MOF-5，數(shù)克的該種材料即擁有足球場級別的表面積，圖片來源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)

化學(xué)家的勵(lì)志與務(wù)實(shí)——MOF材料的最大應(yīng)用可能在未來

諾貝爾獎(jiǎng)委員會在一份聲明中說，這類MOF材料可用于從沙漠空氣中收集水分、捕獲二氧化碳、儲存有毒氣體或催化化學(xué)反應(yīng)等，有助于應(yīng)對氣候變化和淡水短缺等挑戰(zhàn)。

至于將MOF材料用于從沙漠空氣中收集水分的緣起，其實(shí)與這位來自約旦的化學(xué)家奧馬爾·M·亞吉的經(jīng)歷不無關(guān)系。奧馬爾·亞吉于 1965 年出生在約旦首都安曼，成長于一個(gè)難民聚居區(qū)，童年時(shí)期家庭缺水嚴(yán)重，常常只能在每兩周的時(shí)間里獲得一次集中取水的機(jī)會。他本人曾回憶，正是這種“沙漠里缺水的親身經(jīng)歷”激發(fā)了他對水資源問題的關(guān)注，并成為后來研發(fā) “MOF 取水技術(shù)”的初衷之一。

奧馬爾·M·亞吉在約旦的兒時(shí)照片，前排第一位。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

亞吉團(tuán)隊(duì)以MOF為核心部件的設(shè)計(jì)在沙漠地帶成功收集到水。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

亞吉15歲來到美國求學(xué)，但他從未忘記家鄉(xiāng)缺水之苦，他希望通過化學(xué)手段來解決這個(gè)問題。后來，亞吉團(tuán)隊(duì)以MOF為核心部件設(shè)計(jì)的水收集器，終于讓從沙漠空氣中汲水成為現(xiàn)實(shí)——平均每公斤MOF每天能從低濕度空氣中抽取超過1.3升水，超過了維持生命所需的最低限度。即便在極端干燥的環(huán)境，如7%的相對濕度和超過27攝氏度的溫度下，該設(shè)備中每公斤的MOF每天仍能產(chǎn)生0.2升的水。

在約旦沙漠地區(qū)的生活讓亞吉深刻體會到“水是最稀缺、最寶貴的資源”，他在科研中把這種個(gè)人經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為探索科學(xué)的動力，專門設(shè)計(jì)能夠在干旱環(huán)境下捕獲空氣中水分的 MOF 材料，以期幫助類似的干旱地區(qū)獲得清潔飲用水。亞吉從個(gè)人的生活困境出發(fā)，推動設(shè)計(jì)出在全球范圍內(nèi)可持續(xù)供水的創(chuàng)新方案，體現(xiàn)了“科研來源于生活需求”的務(wù)實(shí)案例。

這只是MOF材料應(yīng)用實(shí)例中最動人的故事。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的“明星材料”要走向大規(guī)模實(shí)用化雖然仍面臨很多障礙和挑戰(zhàn)，但這些材料當(dāng)前已經(jīng)在市場中展現(xiàn)出廣闊的前景。這里不得不提，中國憑借完整的產(chǎn)業(yè)鏈、龐大的市場需求和持續(xù)的研發(fā)投入，正在全球MOF的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中扮演著至關(guān)重要的角色。

當(dāng)然，MOF材料最大的應(yīng)用可能還是在未來。在這三位先驅(qū)科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)之后，當(dāng)今全球化學(xué)家們已經(jīng)構(gòu)建了數(shù)以萬計(jì)的不同MOF材料，其中一些可能有助于解決人類面臨危機(jī)時(shí)刻的一些重大挑戰(zhàn)。

作者：宋世超 雷永青

審核專家：薛斌 上海海洋大學(xué)副教授，中國化學(xué)會《化學(xué)通訊》編委

本文來源科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”，已經(jīng)授權(quán)發(fā)布