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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。
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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。
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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”。
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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。”
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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。
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