中新經緯10月13日電 題：諾獎青睞的“化學樂高”有多神奇？
作者 袁帥 南京大學化學化工學院、配位化學國家重點實驗室教授
近日，日本京都大學的北川進、澳大利亞墨爾本大學的理查德?羅布森以及美國加州大學伯克利分校的奧馬爾?M?亞吉三位科學家，因在“金屬有機框架”(MOF)領域的開創性貢獻，獲得2025年諾貝爾化學獎。
化學界的“樂高”
什么是金屬有機框架？從學術定義來看，金屬有機框架是由金屬離子或金屬團簇和有機配體，通過配位鍵自組裝形成的三維框架結構。這個專業名詞恰如其分地概括了其組成和特性――“金屬”“有機”和“框架”。
如果用更通俗的比喻來解釋，MOF就像分子世界的樂高積木。金屬節點相當于樂高的凸點，有機配體則如同連接桿，科學家們利用這些分子級別的“積木塊”，可精心搭建起一座座精美的“樂高大廈”。
這些“大廈”的最獨特之處在于，它們不是實心的，而是空心的結構，內部有無數個“房間”，房間之間由“走廊”相互連接。在材料科學中，我們稱這種結構為多孔結構。每一個孔洞或“房間”都可以容納“客人”――即吸附各種分子。
與傳統的多孔材料如沸石和活性炭相比，MOF有著顯著優勢。沸石和活性炭已經實現工業化應用，它們的優勢在于成本低廉。不過，這些材料雖然都具有豐富的孔結構，但它們的孔道要么是天然形成的，要么是基于經驗合成或改造的，缺乏定向性，很難實現在原子級別上的精準控制。MOF則完全不同。回到樂高積木的比喻，它更像是能夠按照設計圖紙精確拼裝的樂高模型。MOF的兩個組成部分――金屬和有機配體，提供了幾乎無限的組合可能性。元素周期表中的大多數金屬都可以用來構建MOF，而有機配體的種類更加豐富多樣，有機配體還可以有不同的長度和各種官能團(有機化合物分子中能夠決定化合物主要化學性質的原子或原子團)。科學家可以根據需求選擇特定的金屬和有機配體。這種高度的可設計性使得研究人員能夠在分子層面上精確調控孔洞的大小、形狀和化學環境，這是傳統多孔材料無法比擬的優勢。
用“分子海綿”改變世界
盡管MOF目前尚未實現大規模工業化應用，但研究人員正在積極推動其走向實際應用。
氣體吸附與分離是MOF的“老本行”。作為多孔材料，它天然適合吸附氣體。不同氣體在MOF中的吸附能力差異，使其能夠用于氣體分離。這一特性還可用于氣體儲存，特別是氫氣、甲烷等能源氣體。與傳統的高壓鋼瓶儲存方式相比，使用MOF可以在較低壓力和較高溫度下實現高效儲存，顯著降低儲存成本。使用MOF材料填充的甲烷儲罐，在相同壓力下存儲量可達傳統容器的數倍。這意味著在有限空間內可以存儲更多能源，或者相同存儲量下容器體積可以更小，從而提高存儲密度和便攜性。
此外，還可以利用其吸附能力從空氣中提取水，諾貝爾獎得主奧馬爾?M?亞吉團隊目前正在開發相關技術。MOF材料可以在夜晚吸附空氣中的水蒸氣，白天再釋放出來，經過冷凝處理后轉化為飲用水，為解決缺水問題提供了新思路。
催化領域是MOF的另一重要應用方向。MOF的多孔結構使其內部位點都能暴露在表面上，學術上稱為“比表面積特別大”，一個方糖大小的MOF材料鋪開能有足球場那么大。原因是傳統的塊狀固體催化劑只有表面是活性位點，而MOF材料的每一處都可能是活性位點。
在能源領域，MOF也展現出巨大潛力。近年來，我國光伏、風電等新能源快速發展，但這些能源存在時間和季節性的周期波動。例如光伏發電白天有、晚上無，需要“削峰填谷”的技術手段。電解水制氫是一種理想的解決方案――中午新能源過剩時，可用于分解水制氫；夜晚再將氫氣通過燃料電池等技術轉化回電能。MOF在這一過程中既可作為高效催化劑，也可作為儲氫材料。
在電池技術方面，MOF可用于鋰離子電池、鈉離子電池等，包括作為電極材料、隔膜或固態電解質。特別是作為隔膜和電解質，MOF的孔道結構可以為離子遷移提供“高速通道”，在這方面可能比其他材料更具優勢。
光電領域是MOF的另一應用方向。MOF可作為新型半導體材料。由于其結構更加豐富多樣，可能表現出傳統半導體不具備的物理性質，例如某些MOF在外部刺激(如光、熱、壓力或客體分子吸附/脫附)下會發生結構重構，從而導致電導率發生數個數量級的劇烈變化，這為制造高靈敏傳感器和開關器件提供了可能。目前這一領域仍處于探索階段。
MOF在獲獎前已是全球研究熱點。科學界普遍認為，雖然MOF目前主要處于基礎研究階段，但遲早會找到實際應用場景。一旦證明其在生活中有實用價值，相關研究者必然會獲得諾貝爾獎的認可。
不過，與以往諾貝爾獎不同的是，這次獲獎領域既非特別冷門的基礎發現(如改變教科書認知的準晶體)，也非已經深刻改變社會生活的技術(如鋰電池)。MOF材料更像是一種“平臺型科學”――它設計性強、多樣性豐富，可應用于科研各個領域，已經改變了科研圈的生態環境，并正在影響未來產業發展方向。
這次諾貝爾化學獎的頒發，表明諾獎委員會開始關注那些已經深刻改變科研生態，并有潛力在未來影響社會生活的平臺性科學。MOF作為一種可以按需設計的智能材料，其未來應用可能遠超我們目前的想象，有望在能源、環境、電子等多個領域帶來技術突破，為人類面臨的諸多挑戰提供創新解決方案。(中新經緯APP)
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責任編輯：宋亞芬
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