新華社斯德哥爾摩10月8日電 科普|為化學創造“新空間”的金屬有機框架——2025年諾貝爾化學獎成果解讀
新華社記者朱昊晨 郭爽 張兆卿
瑞典皇家科學院8日在宣布2025年諾貝爾化學獎得主時,用一句富有詩意的話總結了獲獎者的貢獻:“他們為化學創造了新空間。”
這一榮譽屬於日本京都大學的北川進、澳大利亞墨爾本大學的理查德·羅布森和美國加利福尼亞大學伯克利分校的奧馬爾·M·亞吉。三位科學家因開發出金屬有機框架而獲獎。這項成果不僅拓展了化學研究的邊界,也為能源、環境和材料科學帶來深遠影響。
金屬有機框架是什麼
金屬有機框架是一種精巧的“分子建築”。它由金屬離子充當“角點”,通過長鏈有機碳基分子作為“梁柱”相互連接,構成規則整齊的三維晶體結構。框架內部佈滿寬敞的空腔,氣體或液體分子可以在其中自由進出。這種結構可用於從沙漠空氣中提取水分、捕獲二氧化碳、儲存有毒氣體或催化化學反應等。
有的金屬有機框架材料具備極強的吸附與儲存能力,可容納大量氣體分子,如氫氣、甲烷或二氧化碳,因此在清潔能源儲運和碳捕獲等領域表現突出。此外,這類材料在吸附或釋放氣體時會發生可逆形變,表現出柔性特徵,能伸縮而不破壞既有框架。
這種由金屬離子與有機分子相互連接形成的結構,既有穩固框架,又具備設計靈活性。科學家可以選擇不同的金屬離子和有機分子,像建築師那樣“定制”材料的性質,搭建出具有不同性能的金屬有機框架。
金屬有機框架的出現改變了傳統化學的研究思路。它不僅意味着一類新材料的誕生,更代表了一種方法論的突破——化學家可以在分子層面主動“規劃空間”,用理性設計取代以往依賴偶然發現的實驗探索。
“分子宮殿”終成現實
20世紀80年代,羅布森嘗試以一種新方式來利用原子的固有屬性。他將帶正電的銅離子與一個具有四條“臂”的有機分子結合,每個“臂”的末端都帶有能吸引銅離子的化學基團。兩者結合後就形成一個有序且內部空曠的晶體,宛如一座“分子宮殿”。羅布森立即意識到了這一分子結構的潛力。但早期材料結構脆弱,容易坍塌。
1989年,羅布森在《美國化學學會雜誌》上發表了這項成果並提出,這種設計思路可能為構建具有全新特性的材料提供路徑。然而,當時多數化學家認為他的構想缺乏實用價值。
為羅布森的願景奠定堅實基礎的是北川進和奧馬爾·M·亞吉。1992年至2003年間,他們分別取得了一系列突破性成果。北川進證明氣體可以自由進出金屬有機框架而不破壞結構,揭示了其柔性特徵;奧馬爾·M·亞吉則創造出高度穩定的金屬有機框架,並證明可以通過理性設計對其進行調控,使其具備新的理想性能。1999年,奧馬爾·M·亞吉合成出經典的MOF-5材料,其內部空間巨大且能在300攝氏度下保持穩定。
在此基礎上,化學家們已構建出數以萬計不同的金屬有機框架材料,其中許多材料有望幫助人類應對重大挑戰。
讓分子為人類服務
諾貝爾化學委員會評委、斯德哥爾摩大學結構化學系教授鄒曉冬接受新華社記者採訪時&&,這項成果是化學領域的重要發現,獲獎者首次實現了金屬離子與有機分子的有序結合,成功設計出具有較大孔洞的晶體結構,為合成具有可控空間的化合物提供了新方法。今天的研究者正利用這一技術,為人類面臨的資源、能源與環境挑戰尋找解決方案。
在環境領域,金屬有機框架材料能吸附二氧化碳,減少溫室氣體排放;能從水中分離出全氟和多氟烷基物質(PFAS)等“永久污染物”;還能分解抗生素殘留及有害氣體。在能源領域,它們可用於儲存氫氣和甲烷,為新能源交通提供更安全高效的儲氣方式;還可用於催化反應和電化學能量轉化。
“目前該領域研究正快速發展,全球已有大量科研團隊投入其中。據我了解,僅中國就有超過100個實驗室在開展相關研究。”鄒曉冬説。
金屬有機框架展現了化學的創造力與社會價值。三位獲獎者用他們的發現,為化學打開了一扇通向未來的“新大門”,讓分子的世界更寬廣,也讓人類在科學的空間中擁有了更多可能。