今年拿到諾獎的“分子房間”有多神奇？全球已開發成千上萬種，還有更多在路上

10月8日，日本京都大學的北川進、澳大利亞墨爾本大學的理查德·羅布森和美國加州大學伯克利分校的奧馬爾·亞基，憑借“金屬有機框架（MOF）研發”而共同獲獎。

幾克材料的內部表面積相當于一個足球場，能從沙漠空氣中“榨”出水，可從空氣中捕獲二氧化碳……這就是MOF材料的神奇之處。諾貝爾化學委員會主席海納·林克表示，金屬有機框架具有巨大潛力，為開發具有新功能的定制材料帶來了前所未有的機會。

MOF的概念自1995年正式提出至今，全球已有幾萬個研究組投身這一領域，已開發出成千上萬種MOF，其應用包括去除水體中的“永久性污染物”、分解環境中的微量藥物，在極端干旱地區從空氣中提取可飲用水等。瑞典皇家科學院指出，三位獲獎者的發現“為人類應對21世紀的重大科學與環境挑戰提供了新的工具”。

定制“分子房間”實現神奇應用

用通俗的話來解釋MOF，它是一種用金屬和有機分子共同搭建的“房間”，不僅“房間”大小可以精確設計，從原子尺度到幾十納米，連“房間”內的環境“裝修”也能根據需求度身定制——當這些房間連成一片、形成孔道，就能實現各種各樣的應用，比如儲氫、分離氣體，甚至精細催化。

不過，MOF的誕生卻頗費了一番周折。早在上世紀五六十年代，化學家就提出了配位聚合物的概念。直到1989年，在指導學生做分子模型時，羅布森冒出了一個靈感：能不能用原子和有機分子“棒”來搭建一個類似鉆石（相鄰碳原子形成一個小金字塔）的晶體“分子籠”？由此，他合成出了一個空間有序、寬敞，還能進行設計和修改的晶體“分子籠”。

羅布森立即意識到這個分子結構的潛力，但它還不太穩定，很容易坍塌。而北川進和亞基在1992年至2003年間分別取得一系列革命性發現，則為“加固”這類分子結構提供了堅實基礎。

北川進總是“于無用中見有用”。1992年，他展示了一種二維材料，空腔中可隱藏丙酮分子。雖然看起來沒啥用，卻提示了一種構建分子的新思維方式。1997年，他的研究小組創制出了由開放通道交叉的三維金屬有機框架，這些材料既穩定又有功能。

材料研發告別“試錯式合成”

同在1992年，亞基在美國亞利桑那州立大學開始以“使用理性設計將不同化學成分連接起來”為目標，尋找更有控制性的材料構建方法——就像搭樂高積木一樣，制造大晶體。1995年，他在《自然》雜志上發表論文，正式提出MOF的基本概念。

1999年，他向世界展示了MOF-5，在世界上掀起了第一次MOF研究熱潮。這是一種異常寬敞和穩定的分子構造。即使在空的狀態下，也可被加熱到300℃而不會坍塌。而且，幾克MOF-5就能容納一個足球場大的面積，這意味著它可以比沸石吸收更多的氣體。

“人們第一次發現，可以讓多動的分子如同蜜蜂歸巢般‘住’進房間。”亞基的中國學生、北京理工大學教授王博告訴記者，MOF的誕生與發展，使材料開發告別“試錯式合成”的時代，就好像蓋樓前可以畫設計圖，材料也可以被精確計算和設計。因此，這三位科學家獲得諾貝爾化學獎可謂實至名歸。

事實上，MOF所開啟的材料學革命，還在不斷深入與延展。后來，亞基又首創了“網格化學”的概念，以大型分子或拓展型結構為基礎，不僅提供了在分子層次之上控制物質的手段，還提供了可進一步操控分子的空曠空間。

“MOF為新材料研發開啟了無盡的可能性。”王博介紹，現在化學家已經可以將化學元素周期表上所有的金屬都用于MOF，包括常見的有機單體、一些柔性單體，都可用于搭建MOF。

目前，王博的實驗室還在嘗試將MOF用于分子仿生框架，開發仿生離子通道，“如果可以做出薄膜，其傳輸效率將大幅提高，有望實現工業級應用”。

熱愛是科研的無盡動力

得知導師得獎，王博第一時間給亞基發了祝賀郵件。“他是一位純粹的科學家，至今未婚，人生的全部熱情與樂趣就在于化學。”自從2000年在密歇根大學師從亞基，王博從未見過對科研如此癡迷的人。

出生于約旦的亞基，從小與許多兄弟姐妹擠在一個單間，沒有電，也沒自來水。10歲時，他偷偷溜進通常鎖著的學校圖書館，隨機從書架上抽了一本書。打開書時，他被那些看不懂但迷人的圖片所吸引——這是他第一次接觸分子結構。

11歲來到美國時，亞基甚至英語也不太流利，可15歲時他已經順利進入大學，24歲就拿到了博士學位。在王博看來，亞基就是一位天才，平時卻無比勤奮，“他幾乎沒有什么社交和娛樂，每天6點多就到辦公室開始工作”。

王博（左）與北川進（中）、亞基（右）合影（王博提供）

有一次，亞基與王博討論一篇論文到深夜。當晚凌晨1點，亞基想到一個好主意，立刻打電話給王博，要他來辦公室討論，在王博“想先睡一覺”的堅持下，亞基答應他早上7點再討論。結果第二天一直討論到下午5點，“他熱情上來時，真的可以不吃飯、不睡覺地做研究”。

王博透露，北川進和亞基其實可以算是師兄弟，兩人很早就開始一起合作，而且都很喜歡中國。“他們經常來中國訪學，亞基的實驗室有很多中國學生，他覺得中國學生動手能力強，富有創造力，他的實驗室有不少重要MOF分子都出自中國學生之手。”

亞基在學術會議上致謝中國學生（王博提供）

今年5月到7月，亞基兩次來中國進行學術交流。實際上，中國學者在MOF的理論和應用研究領域都作出了杰出貢獻。

北川進是一位溫和儒雅的學者，他曾以性格溫和的雷龍自喻，認為自己如同粘結劑，將這個領域科學家團結起來。