本文翻译自｜https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/popular-information/
瑞典皇家科学院决定将 2025 年化学奖授予北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）和奥马尔·M·亚吉（Omar M. Yaghi），以表彰他们“在金属有机框架方面的发展”。
SUSUMU KITAGAWA 北川进，1951 年生于日本京都。1979 年获日本京都大学博士学位。现任日本京都大学教授。
RICHARD ROBSON 理查德·罗森 ，1937 年出生于英国格卢斯伯恩。1962 年获英国牛津大学博士学位。澳大利亚墨尔本大学教授。
OMAR M. YAGHI，1965 年出生于约旦安曼。1990 年获美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士学位。美国加州大学伯克利分校教授。
他们为化学创造了新的“房间”
北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）和奥马尔·M·雅吉（Omar M. Yaghi）因开发了一种新型分子结构而被授予 2025 年诺贝尔化学奖。他们创造的结构——金属有机框架——含有大型空腔，分子可以在其中进出。研究人员已利用它们从沙漠空气中获取水分、从水中提取污染物、捕获二氧化碳并储存氢气。
一个吸引人且非常宽敞的单间公寓，专门为你作为一枚水分子的生活而设计——这大概就是房产经纪人形容过去几十年里世界各地实验室开发的金属有机框架材料之一的方式。这类其他结构有的为捕获二氧化碳量身定制，有的用于从水中分离 PFAS、在体内递送药物或处理极其有毒的气体。有些可以捕捉水果散发的乙烯气体——因此果实成熟得更慢——或封装能分解环境中痕量抗生素的酶。
简单来说，金属有机框架非常有用。北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）和奥马尔·雅吉（Omar Yaghi）因创造了首批金属有机框架（MOF）并展示其潜力而获得 2025 年诺贝尔化学奖。多亏了获奖者的工作，化学家们得以设计出数以万计的不同 MOF，从而促成了新的化学奇迹。
像科学领域中常见的那样，2025 年诺贝尔化学奖的故事始于一位跳出常规思维的人。这一次，灵感来自为一堂经典化学课做准备，学生们要用棒和球来构建分子。
一个简单的木制分子模型激发了一个想法
那是 1974 年。理查德·罗布森（Richard Robson）当时在澳大利亚墨尔本大学任教，他的任务是把木球制作成原子模型，以便学生能够构建分子结构。为此，他需要大学车间在木球上钻孔，以便将木棒——化学键——连接到原子上。然而，这些孔不能随意放置。每种原子——例如碳、氮或氯——以特定的方式形成化学键。罗布森需要标出应在何处钻孔。
当车间把木球交还给他时，他测试着构建一些分子。就在那时，他获得了一个灵感闪现：孔位的排列中蕴含着大量信息。模型分子自动呈现出正确的形态和结构，这完全取决于孔的位置。这个洞见引出了他的下一个想法：如果他利用原子固有的属性去将不同类型的分子连接在一起，而不是连接单个原子，会发生什么？他能否设计出新型的分子构造？
罗布森构建了创新的化学作品
每年，当罗布森拿出木制模型来教新学生时，他都会想到同样的想法。然而，直到十多年后他才决定试验这个想法。他从一个非常简单的模型开始，灵感来自钻石的结构，在这种结构中，每个碳原子与另外四个原子成键，形成一个小金字塔（图 2）。罗布森的目标是构建一个类似的结构，但他的结构将基于带正电的铜离子 Cu + 。像碳一样，这些铜离子也倾向于周围有四个其他原子。
他将铜离子与一种有四个臂的分子结合：4′,4″,4”’,4””-四氰基四苯甲烷。不必记住这个复杂的名字，但重要的是，每个臂末端的分子都有一个化学基团——腈基，它会吸引带正电的铜离子（图 2）。
图 2。理查德·罗布森的灵感来自金刚石的结构，在其中每个碳原子都以金字塔状与另外四个碳原子相连。他没有使用碳，而是使用铜离子和一种具有四个臂的分子，每个臂末端都有一个腈基。这是一种会被铜离子吸引的化合物。当这些物质结合时，它们形成了有序且非常宽敞的晶体。
在那时，大多数化学家会认为将铜离子与四臂分子结合会导致离子和分子纠结成一团杂乱的结构。但事情却朝着罗布森预想的方向发展。正如他所预测的，离子与分子之间固有的相互吸引起了作用，因此它们自发地组织成了一个大型分子构架。就像金刚石中的碳原子一样，它们形成了规则的晶体结构。然而，与金刚石——一种致密材料——不同，这种晶体包含了大量的大腔洞（图 2）。
1989 年，罗布森在《美国化学会志》上发表了他的创新化学成果。在文章中，他对未来进行猜想，并提出这可能为构筑材料提供一种新途径。他写道，这些材料可能被赋予前所未有的性质，甚至是有益的性质。
罗布森在化学领域带来了开拓精神
在他的开创性工作发表后的次年，罗布森提出了几种新的具有空腔的分子结构，这些空腔被各种物质填充。他用其中一种结构来交换离子。他将充有离子的结构浸入含有另一种离子的液体中。结果是离子互换位置，证明物质可以进出该结构。
在他的实验中，Robson 证明了理性设计可以用于构建具有宽敞内部且为特定化学物质优化的晶体。他提出，这种新的分子构造形式——在正确设计时——可以用于催化化学反应，例如。
然而，Robson 的构造相当脆弱，容易崩解。许多化学家认为它们无用，但有些人能看出他发现了某些东西，对他们而言，他对未来的设想唤醒了开拓精神。后来为他的愿景奠定稳固基础的，是 Susumu Kitagawa 和 Omar Yaghi。1992 年到 2003 年间，他们各自做出了一系列开创性发现。我们将从 1990 年代开始，讲起当时在日本近畿大学工作的 Kitagawa。
Kitagawa 的座右铭：即使是无用的东西也能变得有用
在整个科研生涯中，北川进遵循着一个重要原则：尝试去看到“无用之用”。作为一名青年学生，他读过诺贝尔奖得主汤川秀树的一本书。书中，汤川引用了中国古代哲学家庄子的观点，指出我们必须质疑那些我们认为有用的东西。即便某物不能带来立即的利益，它仍可能最终证明具有价值。
因此，当北川开始研究构建多孔分子结构的潜力时，他并不认为这些结构必须具有特定用途。他在 1992 年展示的第一个分子构造确实并非特别有用：一种二维材料，内部有空腔，丙酮分子可以藏匿其中。然而，这源于一种关于分子构建艺术的新思路。和罗布森一样，他使用铜离子作为角点，由更大的分子将其连接在一起。
北川想继续用这种新的构造技术做实验，但在他申请资助时，研究资助机构认为他的志向并无特别意义。他创造的材料不稳定且无用途，因此他的许多提案被拒绝。
图 3. 1997 年，北川成功合成了一种被开放通道贯穿的金属-有机框架。这些通道可以被不同类型的气体填充。该材料在释放这些气体时其结构不受影响。
然而，他并未放弃，1997 年他取得了第一项重大突破。使用钴、镍或锌离子以及一种名为 4,4′-联吡啶的分子，他的研究小组构建了被开放通道交叉的三维金属有机框架（图 3）。当他们将其中一种材料烘干——把水分清空——它仍然稳定，且这些空间甚至可以充填气体。该材料能够在不改变形状的情况下吸收和释放甲烷、氮气和氧气。
北川认为他创作的独一无二
北川的结构既稳定又具有功能性，但研究资助者仍然无法看到它们的魅力。原因之一是化学家已有沸石这种稳定且多孔的材料，可以用二氧化硅构建。沸石能吸附气体，既然如此，为什么还要开发一种表现不如它的类似材料呢？
图 4. 1998 年，北川提出金属有机框架可以具有可弯曲性。现在已有众多可弯曲的 MOF，它们能够改变形状，例如在被各种物质填充或排空时。
北川进（Susumu Kitagawa）明白，若想获得任何重大资助，他必须界定金属有机框架的独特之处。因此，在 1998 年，他在《日本化学会通讯》上阐述了自己的设想。他提出了金属有机框架的若干优势。例如，它们可以由多种类型的分子构建，因此在整合不同功能方面具有巨大的潜力。此外——这点很重要——他意识到金属有机框架可以形成软材料。与通常为硬材料的沸石不同，金属有机框架包含可弯曲的分子构件（见图 4），这些构件能够形成一种柔韧的材料。
接下来，他所要做的就是将自己的想法付诸实践。北川幸吾（Kitagawa），与其他研究人员一起，开始开发柔性金属有机框架（MOFs）。在他们研究这一方向的同时，我们将把注意力转向美国，那里的奥马尔·雅吉（Omar Yaghi）也致力于将分子结构学推向新的高度。
一次秘密的图书馆访问让亚吉对化学大开眼界
学习化学对奥马尔·亚吉来说并非显而易见的选择。他和众多兄弟姐妹在约旦安曼的一间单室中长大，那里没有电也没有自来水。学校成了他在 otherwise 挑战重重的生活中的一处避难所。一天，在他十岁时，他偷偷溜进通常上锁的学校图书馆，从书架上随意抽出一本书。翻开那本书，他的目光被一些难以理解却引人入胜的图片吸引——那是他第一次接触分子结构。
15 岁时——在父亲严厉的要求下——Yaghi 搬到美国去求学。他被化学吸引，最终投身于设计新材料的艺术，但发现传统合成新分子的方法过于不可预测。通常，化学家将要发生反应的物质放在容器中混合，然后通过加热容器来启动化学反应。所需的分子生成，但往往也伴随着各种污染性的副产物。
1992 年，当 Yaghi 在亚利桑那州立大学开始他的第一个研究组组长职位时，他希望找到更可控的方法来创造材料。他的目标是像用乐高积木一样，通过理性设计将不同的化学成分连接起来，制造出大型晶体。这被证明具有挑战性，但当研究组开始将金属离子与有机分子结合时，他们最终取得了成功。1995 年，Yaghi 发表了两种不同二维材料的结构；这些材料像网格，由铜或钴连接在一起。后者能够在其空隙中容纳客体分子，当这些空隙被完全占据时，它稳定到可以在 350°C 下加热而不坍塌。Yaghi 在《自然》杂志的一篇文章中描述了这种材料，并创造性地提出了“金属有机框架”这一名称；该术语现在用于描述由金属和有机（碳基）分子构建的、具有延伸有序结构并可能含有空腔的材料。
只需几克 Yaghi 的框架就能包含一个足球场
雅吉在 1999 年确立了金属有机框架发展中的下一个里程碑，当时他向世人展示了 MOF-5。这种材料已成为该领域的经典。它是一种异常宽敞且稳定的分子构架。即使在空置状态下，也可以加热至 300°C 而不坍塌。
然而，让许多研究人员感到惊讶的是，这种材料的立方空间内隐藏着巨大的表面积。几克 MOF-5 所具有的表面积相当于一个足球场，这意味着它能够吸收比沸石更多的气体（图 5）。
说到沸石和金属有机框架（MOF）之间的差异，研究人员仅用几年时间就成功开发出了软 MOF。其中一位能够展示出柔性材料的人就是北川进（Susumu Kitagawa）本人。当他的材料充满水或甲烷时，它会改变形状；当被排空时，又会恢复到原来的形态。该材料的行为有点像一只能够吸入和呼出气体的肺，既可变又稳定。
Yaghi 的研究小组从沙漠空气中提取饮用水
奥马尔·雅吉在 2002 年和 2003 年为金属有机框架（MOFs）奠定了最后的基石。在两篇发表在《Science》和《Nature》上的文章中，他展示了可以以理性的方法对 MOFs 进行修改和改变，从而赋予它们不同的性质。他所做的一件事是制造了 16 种 MOF-5 的变体，这些变体的孔腔既有比原始材料更大也有更小的（图 6）。其中一种变体可以储存大量甲烷气体，雅吉提出这可以用于以垃圾填埋气为燃料的车辆。
随后，金属有机框架迅速风靡全球。研究人员开发出了一套分子工具包，内含多种不同的构件，可用于构建新的 MOF。这些构件具有不同的形状和特性，为有目的地——或基于人工智能地——设计用于不同用途的 MOF 提供了巨大的潜力。图 7 展示了 MOF 可被利用的示例。例如，Yaghi 的研究小组在亚利桑那的沙漠空气中收集到了水。夜间，他们的 MOF 材料从空气中捕获了水蒸气。到了黎明，当太阳将材料加热时，他们便能够收集到水。
图 6. 在 21 世纪初，Yaghi 展示了可以制造出整套金属有机框架（MOF）材料。他改变了分子连接体，从而得到具有不同性质的材料。其中包括 16 种不同的 MOF-5 变体，具有各种尺寸的空腔。
能够捕获二氧化碳和有毒气体的金属有机框架（MOF）材料
研究人员已经创造了许多不同且具有功能性的金属有机框架（MOF）。到目前为止，在大多数情况下，这些材料仅在小规模上使用。为了将 MOF 材料的益处造福于人类，许多公司现在正投资于其规模化生产和商业化。有些公司已经取得了成功。例如，电子行业现在可以使用 MOF 材料来容纳生产半导体所需的一些有毒气体。另一种 MOF 则可以分解有害气体，其中包括一些可被用作化学武器的气体。许多公司也在测试可从工厂和发电站捕获二氧化碳的材料，以减少温室气体排放。
MOF-303 可以在夜间从沙漠空气中捕获水蒸气。到了早晨，当太阳将材料加热时，可饮用的水被释放出来。
MIL-101 有巨大的空腔。它已被用来催化分解受污染水中的原油和抗生素。它也可用于储存大量的氢气或二氧化碳。
UiO-67 可以从水中吸附 PFAS，这使其成为一种有前景的材料，用于水处理和污染物去除。
ZIF-8 已在实验中用于从废水中提取稀土元素。
CALF-20 具有卓越的二氧化碳吸附能力。它正在加拿大的一家工厂进行试验。
NU-1501 已被优化以在常压下储存和释放氢气。氢气可用于为车辆提供燃料，但在普通的高压罐中，气体极易爆炸。
一些研究人员认为金属有机框架具有如此巨大的潜力，以至于它们将成为二十一世纪的材料。时间会证明这一点，但通过金属有机框架的发展，北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）和奥马尔·亚吉（Omar Yaghi）为化学家提供了解决我们所面临的一些挑战的新途径。因此，正如阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱所述——他们为人类带来了最大的益处。
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