2025諾貝爾化學獎揭秘：碳中和超級材料來了

環球零碳

碳中和領域的《新青年》

撰文 | 小博

編輯 | 小雨

→這是《環球零碳》的1703篇原創

想象一下，在微觀的分子世界里，你能像蓋房子一樣，用金屬離子做支柱，有機分子做墻壁，搭建出一座座寬敞的“公寓樓”。這些“公寓”不是給人住的，而是專為氣體分子、水分子或污染物量身定制的。它們能從沙漠空氣中“榨”出飲用水、抓住溫室氣體二氧化碳、儲存清潔能源，甚至凈化空氣和遞送藥物。

這聽起來像科幻小說？不，這是真實發生的科學奇跡！

2025年諾貝爾化學獎已經公布，頒給了三位科學家：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。他們因開創“金屬有機框架”（Metal-Organic Frameworks，簡稱MOF）而共享這一殊榮。

這項發明被譽為“21世紀的材料”，有望幫助人類應對氣候變化、水資源短缺和能源危機。

今天，我們就來深入解讀這個分子建筑的傳奇故事。

01

三位科學家的分子革命

北京時間10月8日下午，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布了2025年諾貝爾化學獎得主。三位獲獎者將平分1100萬瑞典克朗（約合834萬元人民幣）的獎金。他們的貢獻在于開發了一種新型分子結構——MOF。這種材料像蜂巢一樣布滿空腔，能讓分子自由進出流動。諾貝爾化學委員會主席海納·林克評價道：“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。”

理查德·羅布森，1937年生于英國，現為澳大利亞墨爾本大學教授。他是MOF的“啟蒙者”，早在上世紀70年代就從課堂模型中獲得靈感。

北川進，1951年生于日本京都，現任京都大學教授。他以“于無用中見有用”的哲學，賦予了MOF穩定性和功能性。

奧馬爾·亞吉，1965年生于約旦安曼，現為美國加州大學伯克利分校教授。他正式命名了“MOF”，并開發出標志性的MOF-5，推動了這一領域的爆炸式發展。

這個獎項并非憑空而來。早在上世紀五六十年代，化學家們就探討過“配位聚合物”的概念，但真正讓它從理論走向現實的是三位科學家的開創性工作。他們的發現讓化學家們能像搭樂高積木一樣，理性設計材料，告別了傳統的“試錯式合成”。

如今，全球已開發出成千上萬種MOF，應用遍及環境、能源、醫療等領域。瑞典皇家科學院指出，這項發明“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”。

02

從課堂模型到分子建筑：羅布森的靈光一現

故事要從1974年說起。那一年，羅布森在墨爾本大學為學生準備化學課。他用木球代表原子、木棒代表化學鍵，制作分子模型。擺弄間，他突然想到：原子的連接方式本就蘊含幾何信息，為什么不利用這種特性，讓分子像積木一樣自組裝成更大的結構？

這個念頭讓他興奮不已，但驗證起來花了十多年。1989年，他終于在實驗室里實現了突破。以鉆石晶體為靈感——鉆石中每個碳原子連接四個鄰居，形成金字塔狀結構——羅布森用帶正電的銅離子取代碳原子，再配上一個“四臂”有機分子：四氰基四苯基甲烷。每個臂末端都有吸引銅離子的腈基（-CN）。

實驗結果令人驚嘆：這些成分不是亂成一團，而是自動排列成有序的三維晶體。晶體內部布滿巨大空腔，像一個鑲嵌著無數“房間”的鉆石。羅布森在《美國化學會志》上發表論文，首次提出這類分子網絡的潛力。他預言，這種材料將賦予化學前所未有的性質，可用作催化劑或離子交換介質。

早期MOF確實脆弱，易坍塌，被同行嘲笑為“沒用”。但羅布森不氣餒，繼續合成多種含空腔的分子網絡。他證明了分子能在這些空腔中進出流動，并首次提出“理性設計”（rational design）的概念：化學家可以按需定制材料的結構和功能。這扇“分子建筑”的大門，就此被推開。

羅布森的貢獻不止于發明。他像一位先知，喚醒了年輕一代科學家。其中，日本的北川進和美國的亞吉，正是受其啟發，接過了接力棒。

03

北川進：從“無用之用”到穩定框架

北川進的研究哲學深受中國古代思想影響。他引用莊子的話：“無用之用，方為大用。”受日本諾貝爾物理學獎得主湯川秀樹的啟發，他相信看似無用的發現，往往隱藏巨大潛力。

1992年，北川進構建出一種二維分子材料：金屬離子做角點，有機分子連接成網格，空腔中可容納丙酮分子。雖然功能有限，但這是首次在分子層面實現有序多孔結構。評審者一度拒絕他的論文，理由是“不穩定、無實用性”。但北川堅持下來。

1997年，他的團隊取得革命性突破：用鈷、鎳或鋅離子與4,4′-聯吡啶分子搭建三維MOF。干燥后，這些材料保持穩定，內部形成交錯的空腔通道，能吸附和釋放甲烷、氧氣、氮氣等氣體，而結構不變。更神奇的是，與傳統多孔材料如沸石相比，MOF柔韌性強，能像“呼吸”一樣伸縮變化。

1998年，北川進在《日本化學會會報》發表論文，系統闡述MOF的優勢：可由多種金屬和有機分子組成，功能可定制；具有“可呼吸性”，區別于剛性的沸石。這奠定了MOF的科學基礎，讓它從“無用”走向“獨特”。北川的溫和性格也讓他成為領域的“粘結劑”，他自喻為“雷龍”，團結了全球科學家，包括與亞吉的長期合作。

有趣的是，北川和亞吉可謂“師兄弟”。他們很早開始合作，還都熱愛中國，常來訪學。北川的實驗室有許多中國學生，他贊賞他們的動手能力和創造力。

04

亞吉：正式提出MOF

奧馬爾·亞吉的經歷像一部勵志電影。他出生于約旦安曼的貧困家庭，與眾多兄弟姐妹擠在單間屋里，沒有電和自來水。10歲時，他偷偷溜進學校圖書館，抽出一本化學書，被那些奇妙的分子結構圖迷住。從此，他對化學著迷。

11歲移居美國時，亞吉英語都不流利。但15歲就進入大學，24歲拿到博士。1992年在亞利桑那州立大學建實驗室后，他追求“理性設計”：像搭樂高一樣，用化學成分組裝大晶體。1995年，他在《自然》雜志發表論文，合成出由銅或鈷連接的二維網絡晶體，其中一種穩定到350°C。他正式提出“金屬有機框架”（MOF）這一名稱，定義了由金屬節點和有機配體組成的規則空腔晶體。

1999年，亞吉推出巔峰之作——MOF-5。這種材料異常穩定、空腔巨大，幾克樣品的內部表面積相當于一個足球場。即使加熱到300°C也不坍塌，比沸石吸附更多氣體。這篇論文掀起MOF研究熱潮，推動材料開發進入“設計時代”。

亞吉繼續擴展MOF家族，開發出16種變體，用于儲存甲烷、捕獲二氧化碳。2002-2003年，他在《科學》和《自然》發表論文，展示調控MOF孔徑和功能的方法。其中，“空中取水”實驗令人驚艷：在亞利桑那沙漠，MOF夜晚吸附空氣水汽，白天陽光加熱釋放飲用水。

亞吉的激情感染了學生。他的中國學生、北京理工大學教授王博回憶，亞吉“純粹的科學家”，一生未婚，全身心投入研究。一次討論論文到深夜，亞吉凌晨1點打電話叫醒王博，堅持早上7點繼續。亞吉的實驗室有許多中國學生，許多重要MOF出自他們之手。王博團隊如今開發仿生MOF，用于離子通道，傳輸效率高，有望工業應用。

王博（左）與北川進（中）、亞基（右）合影（王博提供）

05

MOF的“超級能力”：

多孔、可定制、柔韌

那么，MOF到底是什么？用通俗比喻，它是分子世界的“超級公寓樓”。金屬離子（如銅、鋅、鈷）是“支柱”，有機分子（碳基長鏈）是“墻壁和梁”。通過化學鍵自組裝，形成三維網格。關鍵在于內部空腔和通道，像海綿或蜂巢，幾克材料的表面積能達足球場大小。

MOF的三大特性讓它脫穎而出：

1.多孔性：空腔允許氣體、液體分子自由進出。傳統沸石也多孔，但MOF孔徑可精確調控，從原子級到納米級。

2.可定制性：換不同金屬或有機配體，就能“裝修”不同功能。化學元素周期表上的金屬幾乎都能用，包括柔性單體。

3.柔韌性：北川開發的“柔性MOF”能伸縮，如“分子肺”。吸附分子時膨脹，釋放時收縮。

這些特性讓MOF遠超傳統材料。諾獎委員會強調，MOF開啟了“網格化學”，在分子層次控制物質，提供操控分子的廣闊空間。

06

從環保到能源革命

：21世紀的“萬能材料”

MOF的應用如雨后春筍，已有上萬種變體投入研究。以下是幾大亮點：

環境領域：捕獲二氧化碳是當務之急。傳統碳捕獲成本高，分離步驟占70%。MOF如CALF-20吸附CO?能力強，已在加拿大工廠測試。UiO-67能從水中吸附PFAS（永久性污染物），用于凈水。ZIF-8回收廢水中稀土元素，減少污染。

水資源：在干旱地區，MOF-303夜晚捕獲沙漠空氣水汽，白天加熱釋放飲用水。亞吉團隊的沙漠實驗證明，這能為缺水地區提供解決方案。

能源存儲：MOF儲存氫氣或甲烷安全高效。NU-1501在常壓下儲氫，比高壓罐更安全，推動氫能汽車。MIL-101儲存二氧化碳或氫氣，還催化原油分解。

醫療與日常：MOF遞送藥物，精準釋放到病灶。包裹酶分解抗生素殘留，或捕獲水果乙烯氣體，延長保鮮。在半導體工廠，MOF捕獲劇毒氣體，確保安全。

三位科學家的發明，讓化學進入“分子建筑時代”。

正如諾貝爾遺囑所言，這項研究“為人類帶來最大的福祉”。面對氣候變暖、水危機和能源轉型，MOF提供新工具。一些科學家預測，它將成為“21世紀的材料”。但挑戰仍在：如何大規模生產、降低成本。

參考資料：

[1]科技日報：他們在分子世界里“造房子”！解讀2025年諾貝爾化學獎

[2]文匯報：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

[3]http://www.chinanews.se/static/content/CXKJ/2025-10-08/1425549277560332288.html

[4]新華網：三名科學家因金屬有機框架研究獲2025年諾貝爾化學獎

[5]科學網：剛剛，2025年諾貝爾化學獎揭曉！

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