诺奖青睐的“化学乐高”有多神奇？

中新经纬10月13日电 题：诺奖青睐的“化学乐高”有多神奇？

作者 袁帅 南京大学化学化工学院、配位化学国家重点实验室教授

近日，日本京都大学的北川进、澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森以及美国加州大学伯克利分校的奥马尔·M·亚吉三位科学家，因在“金属有机框架”(MOF)领域的开创性贡献，获得2025年诺贝尔化学奖。

化学界的“乐高”

什么是金属有机框架？从学术定义来看，金属有机框架是由金属离子或金属团簇和有机配体，通过配位键自组装形成的三维框架结构。这个专业名词恰如其分地概括了其组成和特性——“金属”“有机”和“框架”。

如果用更通俗的比喻来解释，MOF就像分子世界的乐高积木。金属节点相当于乐高的凸点，有机配体则如同连接杆，科学家们利用这些分子级别的“积木块”，可精心搭建起一座座精美的“乐高大厦”。

这些“大厦”的最独特之处在于，它们不是实心的，而是空心的结构，内部有无数个“房间”，房间之间由“走廊”相互连接。在材料科学中，我们称这种结构为多孔结构。每一个孔洞或“房间”都可以容纳“客人”——即吸附各种分子。

与传统的多孔材料如沸石和活性炭相比，MOF有着显著优势。沸石和活性炭已经实现工业化应用，它们的优势在于成本低廉。不过，这些材料虽然都具有丰富的孔结构，但它们的孔道要么是天然形成的，要么是基于经验合成或改造的，缺乏定向性，很难实现在原子级别上的精准控制。MOF则完全不同。回到乐高积木的比喻，它更像是能够按照设计图纸精确拼装的乐高模型。MOF的两个组成部分——金属和有机配体，提供了几乎无限的组合可能性。元素周期表中的大多数金属都可以用来构建MOF，而有机配体的种类更加丰富多样，有机配体还可以有不同的长度和各种官能团(有机化合物分子中能够决定化合物主要化学性质的原子或原子团)。科学家可以根据需求选择特定的金属和有机配体。这种高度的可设计性使得研究人员能够在分子层面上精确调控孔洞的大小、形状和化学环境，这是传统多孔材料无法比拟的优势。

用“分子海绵”改变世界

尽管MOF目前尚未实现大规模工业化应用，但研究人员正在积极推动其走向实际应用。

气体吸附与分离是MOF的“老本行”。作为多孔材料，它天然适合吸附气体。不同气体在MOF中的吸附能力差异，使其能够用于气体分离。这一特性还可用于气体储存，特别是氢气、甲烷等能源气体。与传统的高压钢瓶储存方式相比，使用MOF可以在较低压力和较高温度下实现高效储存，显著降低储存成本。使用MOF材料填充的甲烷储罐，在相同压力下存储量可达传统容器的数倍。这意味着在有限空间内可以存储更多能源，或者相同存储量下容器体积可以更小，从而提高存储密度和便携性。

此外，还可以利用其吸附能力从空气中提取水，诺贝尔奖得主奥马尔·M·亚吉团队目前正在开发相关技术。MOF材料可以在夜晚吸附空气中的水蒸气，白天再释放出来，经过冷凝处理后转化为饮用水，为解决缺水问题提供了新思路。

催化领域是MOF的另一重要应用方向。MOF的多孔结构使其内部位点都能暴露在表面上，学术上称为“比表面积特别大”，一个方糖大小的MOF材料铺开能有足球场那么大。原因是传统的块状固体催化剂只有表面是活性位点，而MOF材料的每一处都可能是活性位点。

在能源领域，MOF也展现出巨大潜力。近年来，我国光伏、风电等新能源快速发展，但这些能源存在时间和季节性的周期波动。例如光伏发电白天有、晚上无，需要“削峰填谷”的技术手段。电解水制氢是一种理想的解决方案——中午新能源过剩时，可用于分解水制氢；夜晚再将氢气通过燃料电池等技术转化回电能。MOF在这一过程中既可作为高效催化剂，也可作为储氢材料。

在电池技术方面，MOF可用于锂离子电池、钠离子电池等，包括作为电极材料、隔膜或固态电解质。特别是作为隔膜和电解质，MOF的孔道结构可以为离子迁移提供“高速通道”，在这方面可能比其他材料更具优势。

光电领域是MOF的另一应用方向。MOF可作为新型半导体材料。由于其结构更加丰富多样，可能表现出传统半导体不具备的物理性质，例如某些MOF在外部刺激(如光、热、压力或客体分子吸附/脱附)下会发生结构重构，从而导致电导率发生数个数量级的剧烈变化，这为制造高灵敏传感器和开关器件提供了可能。目前这一领域仍处于探索阶段。

MOF在获奖前已是全球研究热点。科学界普遍认为，虽然MOF目前主要处于基础研究阶段，但迟早会找到实际应用场景。一旦证明其在生活中有实用价值，相关研究者必然会获得诺贝尔奖的认可。

不过，与以往诺贝尔奖不同的是，这次获奖领域既非特别冷门的基础发现(如改变教科书认知的准晶体)，也非已经深刻改变社会生活的技术(如锂电池)。MOF材料更像是一种“平台型科学”——它设计性强、多样性丰富，可应用于科研各个领域，已经改变了科研圈的生态环境，并正在影响未来产业发展方向。

这次诺贝尔化学奖的颁发，表明诺奖委员会开始关注那些已经深刻改变科研生态，并有潜力在未来影响社会生活的平台性科学。MOF作为一种可以按需设计的智能材料，其未来应用可能远超我们目前的想象，有望在能源、环境、电子等多个领域带来技术突破，为人类面临的诸多挑战提供创新解决方案。(中新经纬APP)

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责任编辑：宋亚芬

来源：中新经纬

编辑：熊思怡

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