諾貝爾化學獎：為化學打開新的空間

在干旱的沙漠地區提取水源、過濾空氣中的有害化學物質以及將藥物輸送到身體其他難以觸及的部位，這些都離不開微小多孔晶體化合物。它們能夠吸收并部分分解氣體和其他分子。

今年諾貝爾化學獎頒給了“填補空白”的化學材料研究學者Richard Robson, Susumu Kitagawa und Omar Yaghi 。諾貝爾獎委員會稱，他們的材料研發取得了重大進展，為化學創造了新的空間。

具有捕獲二氧化碳和吸收有害環境化學物質的潛力。

“化學建筑師”

水、巖石、金屬，以及人類基因和高度復雜的分子……宇宙的全部物質僅由有限數量的化學元素組成。它們構成了我們所知的一切。

今年的諾貝爾化學獎得主利用化學手段構建了全新的材料。一種具有大空腔的金屬有機結構，類似于非常穩定的海綿。

柏林工業大學無機化學教授 Matthias Drie? 解釋，“就像建造房屋時需要用到各個組件。”可以將三位獲獎者構建比作建造房屋的框架。框架的拐角由金屬原子構成，而連接部分則由長度不一的有機材料制成。Drie?介紹道，“這很巧妙：我可以把分子存儲在這種結構中。然后再次取出它們，用于靶向化學反應。”

就像赫敏的手提包

英國科學家Richard Robson在開發這些金屬有機構架（MOF）方面做出了開創性的工作。他1974年在澳大利亞墨爾本大學任教時，就提出了帶有空腔的分子結構的想法。其靈感來自金剛石的晶體結構，金剛石中的碳顆粒以規則的圖案排列。他沒有采用碳，而是提出了將銅原子和有機分子以類似的方式組合在一起的想法。這樣就能形成巨大的空腔。

Robson的材料還是不穩定，基本構件經常斷裂。但他的想法引起了轟動。20世紀90年代末，日本科學家Susumu Kitagawa(北川進)成功構建了一種穩定的分子框架，其空腔可以填充甲烷或氧氣等氣體。

約旦科學家Omar Yaghi在20世紀90年代對這類結構進行了改進。他用一種銅鈷化合物(MOF-5)取得了里程碑式的成就，這種化合物如今被認為是該領域的經典之作。只有方糖大小的一小部分，卻擁有一個足球場大小的表面積。

像MOF-5這樣的材料非常適合吸收大量氣體和其他分子。諾貝爾化學獎委員會主席Heiner Linke解釋,“它就像《哈利·波特》里赫敏的手提包——里面很大，但外面只有一塊方糖那么大，”

神奇的“化學海綿”

尤其值得關注的是，諾貝爾獎得主們開發的結構可以進行特定修改。根據所使用的基本構件、排列方式和腔體大小，它們可以捕獲特定的氣體或分子，有時甚至可以對其進行化學降解。

Yaghi 和他的團隊成功創造了一種能夠從空氣（哪怕是干燥的沙漠空氣）中捕獲水分子的結構。這對于飲用水的生產至關重要。目前正在進行很多用于環境保護領域的相關結構研究，例如，它們可以吸收廢物中的稀土元素、降解石油泄漏，以及過濾水中的 PFAS 等多年生化學物質。如果這些晶格結構經過設計，能夠在特定的溫度或 pH 值下釋放活性成分，它們還可以用于藥物的靶向輸送。

此外，有關過濾工業廢氣中破壞氣候的二氧化碳的測試也在研究之列。諾貝爾化學獎委員會主席Heiner Linke充滿期待地說，“我們的夢想是能夠大規模地進行這項工作，回收二氧化碳，甚至可能在未來某個時候減少空氣中的二氧化碳含量，”

但這些材料目前大多僅小規模使用。但許多公司正在投資，致力于讓它們為人類所用。

Robson、Kitagawa 和 Yaghi 的研究不僅改變了化學，也為 21 世紀的一些重大挑戰提供了解決方案。無論是氣候變化、水資源短缺還是環境污染，他們開發的 MOF 材料都為解決這些問題開辟了新的可能性。