金屬有機框架！2025諾獎化學獎揭曉：“三體”的低維展開走進現實！“分子宮殿”未來已來！

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你有沒有想過，假定長寬高都相等的一塊巨石和一座摩天大樓，真正的區別在哪里？

從遠處看，它們似乎都一樣——都是龐然大物。但走近了看，你會發現奧秘所在。

那塊巨石，它幾乎是實心的，里面住不了人。而那棟大樓呢？它的價值恰恰不在于水泥和鋼筋本身，而在于它內部被創造出來的空間——那些可以讓人生活、工作和夢想的房間、走廊和廣場。在一個確定的體積內，創造出了巨大的內部空間。

好了，現在你把這個大樓想成是一顆棒棒糖大小，那么它里面的空間有多大呢？可以超過一個足球場的面積。

聽懂了吧？這就是2025年諾獎化學獎的關鍵所在，科學家們學會了在非常小的材質內部，用金屬和有機框架為小小的分子們搭建摩天大樓了。

北京時間10月8日17時45分，瑞典皇家科學院鄭重宣布，諾貝爾化學獎花落三位頂尖科學家——日本的北川進、澳大利亞的理查德·羅布森和美國的奧馬爾·亞吉。

插一句，亞吉教授目前是同時擁有約旦，巴勒斯坦，沙特和美國4國國籍的科學家，所以沙特昨晚的新聞就是沙特科學家 奧馬爾·本·穆內斯·亞吉教授獲獎。

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諾獎為什么頒給他們？

好了，為啥頒給他們？就因為他們搗鼓出了一種叫“金屬有機框架”（簡稱MOF）的玩意兒。

簡單理解，他們用金屬離子和有機配體，比如含碳的有機分子，以相對小的三維體積實現了超級大且功能繁多的內部空間，類似我們說的低維展開。

這個概念的科幻類比，在三體中被反復提及。三體星人為了鎖死地球科技，首先就要讓地球物理學家們集體心理崩潰，它所用到的技術，就是低維展開。

所謂“整個宇宙為你閃爍！”并呈現倒計時，就是三體文明將其高科技產物——高維的智子低維展開成可以包裹整個地球的“假宇宙”。

其實數學上并不難理解，三維的物體如果切換成二維，如果體積不變，因為高度的Z軸為0，所以其二維的面積就必須是無窮大！

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用原子本身的性質“蓋房子”

我們先講講這個技術誕生的前夜，在MOF這個概念出現之前，科學家們早就知道金屬離子和有機配體可以形成配位化合物，其中一類被稱為配位聚合物。

整個20世紀，化學家們合成了無數這樣的配合物，其中一些形成了鏈狀、層狀或三維網絡結構。當時大多數配位聚合物形成的網絡結構缺乏穩定性和永久孔隙率。

一旦移除孔道中的溶劑分子，整個晶體結構就會坍塌，無法維持多孔框架。因此，它們常被稱為“微孔晶體材料”，但孔隙性能不佳。

這個精彩的故事，要從1989年講起。

當時，羅布森教授這位來自墨爾本的科學家，腦子里蹦出了一個大膽的想法：能不能利用原子本身的性質，用一種全新的方式“蓋房子”？

他嘗試把帶正電的銅離子，和一種像“四爪章魚”一樣的分子（每個“爪子”末端都有能牢牢抓住銅離子的化學基團）結合起來。

結果，它們真的形成了結構有序、內部空間開闊的晶體，內部布滿了無數微小的腔室，璀璨得如同布滿空洞的鉆石！

羅布森教授立刻意識到這種結構的巨大潛力——這簡直就是為分子量身定做的“收納空間”啊！可惜，當時這個“鉆石宮殿”還不夠結實，容易塌。

現在看來，羅布森無疑是位當之無愧的“預言家”和“結構先驅”，他從化學鍵的最底層出發，畫出了整個領域的藍圖。

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“柔性MOF”的開創

幸運的是，科學探索的火炬被傳遞了下去。在1992年到2003年這關鍵的十多年里，北川進教授和奧馬爾·亞吉教授，各自取得了革命性的突破，為MOF這座大廈奠定了堅不可摧的基石。

現任京都大學副校長的北川進教授，作為日本第27位自然科學諾獎得主，主要的貢獻在于，他不僅證明了氣體進出，更是“柔性MOF”領域的開創者。

在他之前，大家都認為多孔材料都是硬邦邦、一成不變的。但北川進教授團隊發現，這些由金屬和有機分子組成的“宮殿”，竟然可以是“會呼吸”的！

他們設計的材料，在吸入水分子或甲烷后，形狀會發生改變；當氣體釋放出去，它又能恢復原狀。這就像一對“分子肺”，一張一弛，既有變化又保持穩定，賦予了材料全新的動態特性。

他后來提出的第三代、第四代概念，更是將MOF的世界拓展到了柔性、雜化、多級、無序等更復雜也更迷人的形態。

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穩定MOF的出現與應用

亞吉則是直接造出了穩定的MOF，還展示了怎么“理性設計”給它加新功能。

其實論起MOF（Metal-Organic Framework），這個名字，還是亞吉教授在1995年正式提出的。

這位約旦出生的科學家，在哈佛鍍完金后，跑到亞利桑那州立大學單干，腦洞大開地想：能不能用強化學鍵把分子像搭積木一樣拼成超大“框架”？

這一想可不得了，“框架化學”橫空出世！傳統化學盯著原子間那點事兒，超分子化學研究分子間弱弱的“握手”，而亞吉的框架化學直接讓分子間“焊”在一起，形成強韌無比的結構。

這框架本身就像一個超級大分子，決定了里面每個分子的“站姿”，因為體積大，性質也更豐富，簡直是化學家的“夢想沙盤”。

基于這個理念，亞吉搞出了兩大寶貝：金屬有機框架MOF和純有機的共價有機框架COF。MOF混合了金屬的剛性和有機物的靈活，金屬當“錨”，有機物當“梁”，合體成多孔網絡。

之后的1999年，亞吉團隊祭出“王炸”——MOF-5。這材料成了經典，300攝氏度高溫下都巋然不動，空腔大得嚇人，吸附氣體能力遠超老前輩沸石。

亞吉在開發MOF-5時，還多虧了同事邁克爾·奧基夫的“神吐槽”。奧基夫看著早期MOF模型直皺眉：“原子太多了！”確實，那時材料不穩、孔隙小。兩人一合作，在《自然》上發了MOF-5，從此一炮而紅。亞吉也因此拿獎拿到手軟，2018年還因此榮獲著名的沃爾夫化學獎。

如今，基于這三位先驅的開創性工作，全球化學家已經構建出了數萬種不同的MOF材料。它們的應用前景令人振奮，如可高效去除水中難以降解的“永久化學品”PFAS；降解環境中殘留的藥物污染物；更高效地捕獲溫室氣體二氧化碳；在極度干旱的地區，從稀薄的空氣中汲取生命之水；安全地儲存氫氣、甲烷等清潔能源載體。

科學家們甚至嘗試將MOF嵌入建筑材料，打造能主動吸附污染物的“會呼吸的房子”。

你看，真正的科學革命，往往始于幾個“異想天開”的靈魂，在微觀世界里默默搭積木。

從羅布森教授最初那個充滿想象力卻略顯脆弱的“鉆石構想”，到北川進教授揭示的“呼吸與柔性”，再到亞吉教授奠定的“理性設計與網格化學”，三位科學家接力探索，為我們打開了一個充滿無限可能的“分子宇宙”。

他們的故事再次印證，那些源于純粹好奇心的基礎研究，那些看似“無用”的分子搭建游戲，最終可能孕育出改變世界的巨大力量。

MOF，這精巧的“分子宮殿”和“納米海綿”，正從實驗室走向廣闊天地，為解決人類面臨的生存挑戰，提供著充滿智慧的“分子級”解決方案。

這枚諾貝爾獎章，不僅是對過去輝煌的加冕，更是對未來無限潛力的期許。

科學，永遠在構建通往更美好未來的橋梁。