牛圈里的難民家庭，出了個諾貝爾獎得主

2025諾貝爾化學獎得主

“最化學的化學獎”，10月8日，2025諾貝爾化學獎分別頒布給了來自日本、澳大利亞、美國的三位科學家，以表彰他們在金屬有機框架（Metal–Organic Frameworks, MOFs）材料開發方面做出的貢獻。

這是一個在化學研究中不算小眾的領域。事實上，從1980年代開始，MOFs已經在各國科學家的努力下獲得突破。三位諾獎獲得者理查德·羅布森（Richard Robson）、北川進（Susumu Kitagawa）與奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）分別是在1989年、1992年、1995年在MOFs領域做出突破。

三位諾獎獲得者理查德·羅布森（Richard Robson）、北川進（Susumu Kitagawa）與奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）分別是在1989年、1992年、1995年在MOFs領域做出突破

個人經歷上，奧馬爾·亞吉的故事尤其曲折。這位被學界稱為“MOF之父”的世界頂級化學家，卻有著一個非常貧瘠的出身。1965年，奧馬爾·亞吉出生在約旦安曼，在一個從巴勒斯坦逃亡的難民家庭里長大。父母總共養育了9個孩子，11口人擠在沙漠里一個沒有電和自來水的房間里。那時，全家唯一水源，便是政府每隔兩周供應的自來水。

奧馬爾曾回憶，當時，每隔兩周的自來水一來，家人會把家里所有的容器都拿去接水。

回想起來，這一幕讓他感慨干旱地區的水有多珍貴，這同時促進了MOFs的一大應用場景的產生——到沙漠中收集飲用水。

諾貝爾獎得主奧馬爾·亞吉/圖源：UCLA

如今，化學家們已設計出數以萬計的MOFs，它們被用于碳捕集、空氣凈化、能源存儲等眾多前沿領域。在半導體制造中，也有MOFs被用于捕捉或分解生產過程中產生的劇毒氣體。

正如諾獎頒獎詞所說：“金屬有機框架具有巨大的潛力，為定制化的新功能材料帶來了前所未有的可能性。”

積木的奧秘

提到化學家的工作，愛看劇的人或許會想到美劇《絕命毒師》。劇中的沃爾特·懷特(老白），一般穿著白色實驗大褂，在裝著各類液體和粉末的瓶瓶罐罐之間來回搗鼓，把各類元素放入燒杯或者試管里，等待化學反應，最后生成、提純出一些新物質。

比如，老白愛提純的毒品。

這確實是很長一段時期里的現實。1990年代之前，化學家們已經能精確地合成“零維”的結構——也就是單個分子。實驗高手能組裝出高度復雜的化合物。然而，如何在人造條件下控制性地合成二維甚至三維的擴展結構，卻是化學界的空白。

諾貝爾獎得主羅德·霍夫曼（Roald Hoffmann）曾感嘆：“在二維或三維世界里，這仍是一片合成的荒原。”

墨爾本大學的化學家理查德·羅布森率先動手了——靈感來源于鉆石的結構。1980年代，他提出一個大膽設想：“是否可以用有機分子作‘支架’，與金屬離子配位，從而造出一個規則、可預測的三維晶格？”

一個更簡單的理解版本是：如果化學材料能像“拼積木”一樣，讓原子或分子依照其化學特性自行連接，一座由分子積木搭成的宮殿就形成了。這座“分子宮殿”可以被設計，形成具有規則孔洞結構的合成材料。

理查德·羅布森的靈感來自鉆石的結構，其中每個碳原子都與另外四個碳原子相連，形成金字塔狀。他沒有使用碳，而是使用了銅離子和一個帶有四條臂的分子，每條臂的末端都有一個腈基。這是一種能被銅離子吸引的化合物。當這些物質結合時，它們形成了一個有序且非常寬敞的晶體。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

羅布森參考了鉆石的微觀結構，將帶正電的銅離子與四臂有機分子相結合。但是，這一舉動被當時多數化學家不解，他們相信，銅離子與四臂分子結合只會形成雜亂無章的混合物。

但結果驗證了羅布森的預想：金屬離子與有機分子間的內在引力主導了組裝過程，它們自行排列出了與鉆石類似的規整的晶體結構。但不同于鉆石的是，這種晶體內部并不是致密的，而是蘊含著寬敞的空腔，就像一座搭著腳手架的建筑一樣，中間有巨大的、規律的空隙。

1989年，羅布森在《美國化學會志》上發表成果，首次提出這類分子網絡的潛力，預言它們將賦予化學材料前所未有的性質。

不過，羅布森的發現在當時沒得到認可。他的初期構造物穩定性欠佳，較易分解，許多化學家認為，這是無用之作。

有相似想法的人屬于小眾群體。這類人的共同點是，都對主流觀念懷有質疑和批判的視角。

諾貝爾獎得主理查德·羅布森/圖源：墨爾本大學

1992年，當難民家庭出身的奧馬爾來到美國亞利桑那州立大學，開始做他主導的第一個研究時，他也打算走蹊徑，用“積木”原理制造大型晶體。

原因很簡單，奧馬爾記得，以前的化學實驗，制備延展結構的過程被戲稱為“搖晃和烘烤”方法。化學家會將起始材料加熱到極高的溫度（通常超過500°C），接下來的工作就是等待，等待運氣的垂青，獲得好的實驗結果。

而奧馬爾想的是，他要找到更可控的方法來創造材料。“（以前）一旦制成后無法進行有意義的修改。這種缺乏精確性（的過程）讓我感到沮喪。我想創造具有特定的、可預測形態的延展結構。”就像建筑家一樣，他希望使用理性設計，像搭積木一樣連接不同的“模塊”。

他野心勃勃的想法僅僅在3年后就得到認證。1995年，奧馬爾發表了兩種不同的二維材料的結構：它們像網一樣，由銅或鈷連接在一起。重要的是，這一研究發現了發現了將過渡金屬離子與帶電的羧酸鹽連接體連接的反應條件，從而形成了強金屬-連接體鍵。這一突破帶來了結晶的擴展結構，開啟了固態結構制造的新紀元。

奧馬爾·亞吉在實驗室/圖源：清華大學

還是以建筑做類比。在“分子建筑”里，金屬離子相當于“房梁立柱”（節點），有機分子則是“連接框架”，也就是建筑的鋼筋。有了節點和鋼筋，經過人類精心設計后，它們共同組成了“分子建筑”，也就是MOFs。

在1995年發表的知名論文里，奧馬爾首次提出了“金屬有機框架”（MOFs）概念。這讓他成為了著名的“MOF之父”。

對MOF的追逐在同時代的科學家們競合之中達到了頂峰。1997年，日本的北川進團隊將鈷、鎳或鋅離子與名為4,4′-聯吡啶的分子，創造出三維金屬有機框架。晶體層之間呈古建筑的“榫卯”式嵌合（tongue-and-groove）。

更重要的是，北川進的實驗表明，這座“分子宮殿”可以容納水分子與氣體分子。在干燥后，這種框架能在常溫下吸附甲烷、氮氣等小分子氣體，并可逆地釋放。這使MOFs能夠像海綿一樣，既可以吸附氣體，也可以儲存氣體，過濾污染物，甚至催化化學反應。

1997年，日本的北川進團隊將鈷、鎳或鋅離子與名為4,4′-聯吡啶的分子，創造出三維金屬有機框架。晶體層之間呈古建筑的“榫卯”式嵌合（tongue-and-groove）。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

而此時，化學界依然對此有所質疑。比較有代表性的質疑聲是，早就有化學材料能做到MOFs的功能，例如，負責吸附有毒有害物質的活性炭或沸石。MOFs還是面臨“無用的發明”“性價比不高”等等質疑。

但北川進很堅定，屢次對外界闡明他的決心，他指出，MOFs含有柔性的分子構建塊，可以創造出一種柔韌的材料，比活性炭等更具想象力和研究價值。

科學家最終靠著“接力”，闡述了MOFs空間的強大。1999年，奧馬爾向世界展示了他設計的“建筑”——MOF-5。MOF-5孔隙多，有著寬敞且穩定的分子結構。即使在空置狀態下，它被加熱到300°C也不會坍塌。更為驚人的是，一茶匙的MOF-5（約2克）內部的展開面積，約等于一個7000平方米的足球場。更大的面積，意味著它可以比沸石吸收多得多的氣體。

這就是三維結構的魅力。

1999年，奧馬爾向世界展示了他設計的“建筑”——MOF-5。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

回想起1990年代在艱辛中前進的事業，奧馬爾在2025年的分享中提到，他總結出了5%規則——“當95%的人懷疑你時，一般仍有5%的人堅定地認可你所嘗試做的事情”。

他回憶，團隊在上世紀取得開創領域的第一個發現時，懷疑聲撲面而來，“批評者似乎來自四面八方，質疑我們所做的一切是否可能”。

在外界的一片反對聲中，奧馬爾發現：“你需要關注的就是這5%的人。你認真對待批評，但最終，相信自己的直覺，做你知道需要做的事情。”

擁抱AI的化學家

頂級化學家奧馬爾的勵志故事，開始于一次出走。

他出身難民家庭，父親只有六年級的學歷，母親不太識字。9個孩子擠在一間位于沙漠的房子里，同一個屋子里還有養牛的牛圈。但惡劣條件沒有阻擋一個無視困難少年的化學夢。

奧馬爾曾在公開場合回憶，他是在10歲那年的一個中午，走進了一座未上鎖的圖書館里，打開了一本書。無意中，他被里面講述分子的章節吸引，從此決心學習化學。15歲那年，因為成績優異，他在父親的幫助下，獨自抵達紐約，進入了一所社區公立學校。當時，他的英語水平很差，自帶口音，聽起來非常別扭。

這位帶著夢想與家族期望的少年應該沒想到，他后來研究的學科，不僅改變了自己的命運，竟然還可以改變家鄉人民的困境。

奧馬爾·亞吉

抵達美國后，他的英文飛速進步，在化學道路上越走越深。1990年，35歲的奧馬爾成為哈佛大學博士后研究員，師從美國科學院院士理查德·霍爾姆。兩年后，他到亞利桑那州立大學做助理教授。

年輕的學者直覺敏銳，他在3年后就提出了MOFs概念，到了21世紀，他創立并推動網格化學這一新興學科。從2000年到2010年間，他是全球的論文被引用次數第二多的化學家。

此后，他開始接近瘋狂地制造“建筑”。21世紀初，他制造了16種 MOF-5的變體材料。許多材料的“建設”都為MOFs后期的應用，尤其是為緩解氣候和環境問題方面的應用奠定了基礎。

21世紀初，奧馬爾制造了16種MOF-5的變體材料。?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

例如，奧馬爾曾發現，鋅基的MOF材料可以吸收并儲存氫氣。當時，美國總統喬治·布什正大力押注“氫經濟”，提出氫氣有一天將取代化石燃料。奧馬爾的發現讓許多人跟進研究，期望今后可以將氫氣存儲于 MOFs 超級海綿中，并按需釋放。

再后來，他將研究重點放在了MOF材料在水吸附領域的應用。2014年，奧馬爾課題組成功合成MOF-801單晶樣品。很快，團隊發明了像微波爐大小的實驗裝置，里面裝著MOF-801，讓它們在夜晚吸收空氣中的水蒸氣。

到了白天，他們再利用環境中的太陽能，加熱MOF-801，使其釋放出高純度的液態水。

這一裝置最終被證實能有效解決沙漠地區的缺水問題。即使在濕度低至20%的沙漠環境中，一公斤的MOFs可以在12小時內，收集到空氣里約2.8升的水。目前，這類裝置全程靠太陽能驅動，可以有效打破干旱地區的用水荒。

奧馬爾·亞吉

更多MOF的應用在各個領域“開花”。例如，電子工業已經利用 MOF 材料，儲存用于半導體制造的有毒氣體，可降解包括化學武器成分在內的有害氣體。多家公司正在測試從工廠與發電站廢氣中捕獲二氧化碳的MOF材料，以降低溫室氣體排放。

值得一提的是，盡管應用領域很廣，但MOF材料至今仍未能獲得工業級的廣泛應用。這是因為，合成MOFs總體造價偏高，產業界始終沒找到成本更低的合成路徑，以達到價格和技術完美的平衡。

回到這些研究基礎科學的學者身上。有趣的是，這位早年逃離貧苦環境，中年星光熠熠的約旦裔美國籍學者，近年來積極擁抱AI的浪潮。“現實很清楚，”奧巴爾在一次受訪時提到，“要在未來蓬勃發展，化學研究者必須完全擁抱 AI 工具，利用其潛力，并在這一變革領域中發展。”

而且，“那些抵制這一變化的人將冒著比以往任何時候都更大的風險。這不僅僅是現代化的呼吁，而是化學作為一門學科的生存問題。”奧馬爾強調。

他在近年與同事成立了一家新的研究所，專注于利用AI+網格化學來應對氣候挑戰。AI+化學的應用正好符合他心目中的化學：可以被設計，可以被預測，可以被精準掌握。具有超強計算能力的AI大模型可以幫助預測和繪制出不同分子幾何結構產生的龐大潛在結構空間，這能顯著加速候選材料的篩選過程，同時大幅節約資源。

在實驗室中的奧馬爾·亞吉/圖源：加州大學

他曾在受訪時舉例，團隊一直傾力于羥肟酸酯MOF。但由于其框架材料結晶過程異常困難，導致在過去5年間，團隊僅成功合成出一種羥肟酸酯 MOF。而就在最近2年，有了AI大模型后，他們讓機器對文獻中的文本與圖像數據進行系統性的挖掘，明確研究方向，以此找到特定結構單元組合生成MOFs的可行條件。

借助AI工具，奧巴爾透露，他旗下的一位研究生僅用6個月，就成功制備出15種新型化合物。

AI正在顛覆科學界，2024年的諾貝爾化學獎頒布給了用AI預測蛋白質結構的DeepMind工程師就說明了這一點。而2025諾獎得主奧巴爾也堅信，在技術浪潮前，人始終要保持敬畏。他要求實驗室的學生：每位成員必須掌握如何運用AI來加速化學研究進程的技能。

“化學長期以來一直被視為‘中心科學’，但已不再足夠。中心并不等于前沿。化學必須重新定義自己為一門前沿科學，推動邊界，擁抱新技術，并引領創新。”奧巴爾提醒道。這位今年已經60歲的“寒門貴子”，仍在關注和押注新技術，相信并致力于基礎研究與科技應用的新一輪發展。

文中配圖部分來源于網絡

作者 |朱秋雨

編輯 | 向現

值班主編 | 吳擎

排版 | 菲菲