諾貝爾化學(xué)獎剛剛出爐！他們開創(chuàng)了全新的化學(xué)領(lǐng)域 | 詳細解讀

今日下午，2025年諾貝爾獎的最后一個自然科學(xué)類獎項揭曉。京都大學(xué)北川進（Susumu Kitagawa）教授、墨爾本大學(xué)Richard Robson教授以及加州大學(xué)伯克利分校的Omar Yaghi教授因開創(chuàng)了金屬有機骨架（MOF）的全新領(lǐng)域，摘得諾貝爾化學(xué)獎桂冠。在這篇文章中，我們將與大家分享3位獲獎?wù)咭约捌渌茖W(xué)家在MOF領(lǐng)域的故事。

▲今年的諾貝爾化學(xué)獎得主（圖片來源：參考資料[1]）

框架化學(xué)的誕生

Omar Yaghi于1965年出生于約旦，在伊利諾伊大學(xué)香檳分校獲得化學(xué)博士學(xué)位后，他在哈佛大學(xué)擔(dān)任博士后，隨后在亞利桑那州立大學(xué)開始了獨立的學(xué)術(shù)生涯。在這里，他開始構(gòu)思、發(fā)展出其最重要的學(xué)術(shù)成就——將分子通過強鍵結(jié)合在一起，形成大的“框架”。框架化學(xué)（Reticular Chemistry）的概念由此誕生。

傳統(tǒng)的化學(xué)關(guān)注的往往是分子間的連接，尤其是當兩個原子共享電子時形成的強共價鍵。相反，超分子化學(xué)涉及的是分子之間的連接與相互作用。超分子化學(xué)最初局限于較弱的連接，例如我們熟悉的氫鍵和范德華力。

而框架化學(xué)的出現(xiàn)改變了這一局面，這時分子之間可以存在強共價鍵框架，框架化學(xué)創(chuàng)建的超分子結(jié)構(gòu)使得分子間具有前所未有的化學(xué)和結(jié)構(gòu)強度。每一個框架都可以被看作是一個分子，正如分子決定了每個原子的特定幾何形狀與空間排列，框架也決定了其中每個分子的形態(tài)與排列。由于這些框架包含的體積更大，因此其化學(xué)性質(zhì)遠比組成該框架的分子豐富，從而具有獨特的性質(zhì)。

框架化學(xué)獨特的性質(zhì)推動了一系列新型材料的開發(fā)，其具有非常大表面積的高孔隙率結(jié)構(gòu)，能夠高效地儲存被“困”在孔隙中的各種材料，如同是分子尺度上的晶體海綿，具有極強的吸附能力。

基于框架化學(xué)，Yaghi教授先后開發(fā)并發(fā)展了兩類全新的化合物，分別是金屬有機骨架（MOF）和共價有機骨架（COF）。COF由有機材料形成，而MOF結(jié)合了有機與無機材料，兼具無機材料的剛性與有機材料的柔性特征。這類材料以金屬離子或金屬簇作為無機部分，橋聯(lián)的有機配體通過自組裝相互連接，由此形成周期性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種情況下，金屬材料相當于是“錨”，被捕獲的分子會粘附在“錨”上；而有機化合物是將其連接形成多孔結(jié)構(gòu)的“骨架”。

值得一提的是，在Yaghi教授開發(fā)MOF材料的過程中，當時同樣任職于亞利桑那州立大學(xué)的Michael O'Keeffe教授也作出了重要貢獻。當時，年輕的Yaghi教授向O'Keeffe教授展示了早期的MOF——MOF-2和MOF-3的結(jié)構(gòu)。O’Keeffe教授最初的反應(yīng)是：“原子實在是太多了。”那時的MOF材料不穩(wěn)定，并且孔隙率有限。

此后，兩位科學(xué)家合作，在《自然》雜志上發(fā)表了標志性的MOF-5。該材料具有前所未有的表面積、孔隙率和穩(wěn)定性，基于MOF-5的復(fù)合材料在現(xiàn)代化學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用。

伴隨著新策略的出現(xiàn)，新材料呈指數(shù)級不斷涌現(xiàn)，這些新材料在化學(xué)上具有以往未知的多樣性。根據(jù)Yaghi教授的介紹，如果將1克MOF材料展開成單個原子尺度的薄片，其能夠延伸至相當于60個網(wǎng)球場的大小。這類材料的孔隙可以非常高效地捕獲并儲存空氣中的二氧化碳，幫助減緩全球變暖的趨勢。由于多孔特性可以將捕獲的氣體壓縮至很小的體積，因此在氣體儲存及分離、清潔水的生產(chǎn)及輸送中具有重要的應(yīng)用價值。此外，這種多孔結(jié)構(gòu)還可用于催化、能源及醫(yī)藥領(lǐng)域。

“當我還是學(xué)生的時候，制造新材料往往是簡單地將不同物質(zhì)混合在一起，最后得到的是大自然給你的東西，所以我們對產(chǎn)物沒有太多的控制能力。但我意識到，如果能像組裝汽車零部件一樣組裝出化學(xué)結(jié)構(gòu)，一定會有很大的潛力。我的夢想是能夠以這種簡單、合理的方式制造新材料，掌握對合成產(chǎn)物的控制能力，并能夠在合成后進行調(diào)整、修改，這將是非常強大的功能。”Yaghi教授表示。

北川進教授與Robson教授的故事

北川進于1951年出生，在京都大學(xué)獲得化學(xué)博士學(xué)位后，在近畿大學(xué)任職。1998年北川進教授成為京都大學(xué)無機化學(xué)教授。

北川進教授通過氣體吸附實驗發(fā)現(xiàn)并證實了金屬復(fù)合物的孔隙率，是MOF領(lǐng)域的重要開拓者。其開創(chuàng)了MOF的功能化學(xué)，發(fā)現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)多孔材料的柔性MOF。北川進教授的成果為多孔材料的新時代開辟了道路，對于解決能源和環(huán)境問題至關(guān)重要。他與其他科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)有望在材料科學(xué)領(lǐng)域帶來根本性創(chuàng)新，對學(xué)術(shù)界和工業(yè)界產(chǎn)生廣泛影響。

▲1997年，北川進教授成功制造出具有開放通道貫穿結(jié)構(gòu)的金屬有機框架。（圖片來源：參考資料[1]）

另一位獲獎?wù)逺ichard Robson教授的故事始于1989年，當時他嘗試以全新方式利用原子的固有特性。他將帶正電荷的銅離子與一種四臂分子結(jié)合——每個分子臂末端都具有易與銅離子結(jié)合的化學(xué)基團。當兩者結(jié)合時，它們形成了結(jié)構(gòu)有序、空間開闊的晶體。這就像一顆布滿無數(shù)腔體的鉆石。Robson教授立刻意識到這種分子構(gòu)造的潛力，但其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定且易坍塌。

Robson教授立刻意識到這種分子構(gòu)造的潛力，但其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定且易坍塌。此后，北川進教授和Omar Yaghi教授為這種構(gòu)建方法奠定了堅實基礎(chǔ)：在1992至2003年間，他們分別取得了一系列突破性發(fā)現(xiàn)。北川進教授證明了氣體可在結(jié)構(gòu)中自由進出，并預(yù)言MOF材料可具備柔韌性；Yaghi教授則創(chuàng)制出高度穩(wěn)定的MOF材料，并通過理性設(shè)計實現(xiàn)結(jié)構(gòu)修飾，賦予其嶄新的理想特性。

▲Richard Robson教授的靈感源自鉆石結(jié)構(gòu)——其中每個碳原子都與另外四個碳原子相連，類似金字塔形態(tài)。（圖片來源：參考資料[1]）

今日三 位教授所斬獲的諾貝爾化學(xué)獎，可謂是實至名歸！這也是對他們學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)貢獻的極佳認可。

參考資料

[1] They have created new rooms for chemistry, Retrieved October 8, 2025, from https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/popular-information/

[2] Omar Yaghi awarded 2018 Wolf Prize, from https://chemistry.berkeley.edu/news/omar-yaghi-awarded-2018-wolf-prize

[3] Omar Yaghi, from https://wolffund.org.il/2018/12/12/omar-yaghi/

[4] Makoto Fujita, from https://wolffund.org.il/2018/12/12/makoto-fujita-2/

[5] Pioneering chemist Omar Yaghi wins the Frontiers of Knowledge Award in Basic Sciences. Retrieved Oct 4, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/859297

[6] Self-assembly. Retrieved Oct 4, 2023 from https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/features/f_00054.html

[7] Susumu Kitagawa, from https://kuias.kyoto-u.ac.jp/e/profile/kitagawa/

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