诺贝尔化学奖揭晓：金属有机框架有啥用？

▲2025年诺贝尔化学奖授予北川进、理查德·罗布森以及奥马尔·M·亚吉。图/诺贝尔奖委员会官网

　　据央视新闻消息，当地时间10月8日，瑞典皇家科学院决定将2025年诺贝尔化学奖授予北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）以及奥马尔·M·亚吉（Omar M. Yaghi）三位科学家，以表彰其在金属有机框架开发领域的贡献。

　　总体而言，三位获奖者创造了具有大空间的分子结构，气体和其他化学物质可以通过这些空间。这些结构就是金属有机框架（MOFs），可用于从沙漠空气中收集水、捕获二氧化碳、储存有毒气体或催化化学反应。

　　21世纪的决定性材料

　　1989年，理查德·罗布森以一种新的方式创建了一种新的化学基团分子。他将带正电的铜离子与四臂分子结合，形成一个化学基团，这个基团在每只臂膀的末端由铜离子所吸附。当它们结合在一起时，形成一个有序、宽敞的晶体，就像一颗充满无数空间的钻石。这就是金属有机框架。

　　尽管这种分子结构从理论和应用上看有很大的潜在价值，但它不稳定并且很容易崩溃。之后，北川进和亚吉为这种化学基团的稳固和实际应用提供了坚实的基础。1992年至2003年，他们分别取得了一系列突破性的发现。

　　北川进的研究表明，气体可以流入和流出金属有机框架，并预测金属有机框架可以变得更为灵活。亚吉则创建了一种非常稳定的金属有机框架，并证明它可以使用合理的设计进行修改，从而赋予其新的和理想的特性。

　　罗布森创造了金属有机框架，北川井和亚吉分别完善和合理设计了金属有机框架并给出了可能在生产和生活中应用的领域、范围和模式。正如诺贝尔化学委员会主席海纳·林克所说，“金属有机框架具有巨大的潜力，为具有新功能的定制材料带来了前所未有的机会。”

　　经过多年的研发和改进，金属有机框架已经成为一种用途巨大的新型材料，并能产生多种产品。金属有机框架属于一种多孔材料，由金属离子（或簇）和有机配体通过配位键连接而成。这种结构会形成一个高度有序的、三维的晶格网络，其中包含巨大的、可调的孔隙。

　　金属有机框架不仅具有金属的活性，同时也获得了有机配体的柔性、化学官能团的选择性和其他物理化学性能，还有配位形成的特殊空间结构。这几种特别的要素完美结合起来，使得金属有机框架被预测为21世纪的决定性材料。

　　具有广阔的应用前景

　　金属有机框架，作为一种用途极其广泛的超多孔纳米材料，如果将一克金属有机框架的内表面积展开，覆盖的面积比一个足球场还大。现在，化学家已经设计了88000多个不同的金属有机框架。

　　现有研究表明，金属有机框架可用于气体储存与分离，如储存氢气和捕获二氧化碳；可作为多相催化剂，促进化学反应的进行；也可用作传感器，以检测特定气体或化学分子；还可以用于传输药物，将药物封装在金属有机框架的孔隙中进行按需释放。

　　迄今，最能体现金属有机框架应用价值的是药物传递。药物分子常通过氢键、π-π堆积、配位作用、静电作用等吸附于金属有机框架的孔隙或表面，让金属有机框架成为药物的缓控释放递送载体。

　　如低细胞毒性的卟啉金属有机框架PCN-221对甲氨蝶呤（治疗癌症和自身免疫疾病的药物）具有高载药量，甲氨蝶呤通过扩散进入PCN-221的孔隙与通道，通过其与PCN-221的π-π作用及氢键作用，在生理环境下实现缓释，以保持药物有效浓度。

　　此外，特定的金属有机框架还可通过共结晶法运载胰岛素，治疗糖尿病。除了将药物分子加载到金属有机框架孔隙或表面外，还可通过药物分子中可用的配位位点与特定的金属离子结合，使药物直接作为有机配体参与金属有机框架的形成，以输送药物。

　　而在全球气候变化的环境下，金属有机框架对烟道气进行碳捕获，可以有效减少碳排放。

　　2022年，加拿大研究人员研制了一种称为CALF-20的金属有机框架，能对烟道气进行有效碳捕获。在1.2个大气压和室温条件下，CALF-20能吸附自身重量18%左右的CO₂，并且CALF-20在多种混合气体中保持极佳的CO₂选择吸附能力。在40%相对湿度环境中，CALF-20甚至可以压制水蒸气而吸附CO₂。

　　金属有机框架还能通过吸收空气中的水蒸气，然后在温度升高时释放出水，从而实现从沙漠中收集水。这种技术特别适用于全球的沙漠地区，包括非洲的撒哈拉沙漠、亚洲和非洲的阿拉伯沙漠，亚洲的塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠，以及南美洲的巴塔哥尼亚寒漠。

　　现在，该技术已在实验室测试和沙漠环境的实地试验中得到验证。初步结果表明，金属有机框架每千克每天可收集和提供超过一升的水，并且水质非常干净。

　　而且，金属有机框架装置不依赖电力，且可以利用温度变化来收集水，是一种清洁能源驱动的方案。未来，这是解决沙漠和干旱地区生活和生产用水的一种有效方式。

　　今年的诺贝尔化学奖授予金属有机框架的发现和应用表明，这种材料和产品在未来具有广阔的前景，能极大造福于人类社会。

　　撰稿 / 张田勘（科普作家）

　　编辑 / 徐秋颖

　　校对 / 杨许丽

(责任编辑：烟台市)