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◎ 本報特約作者 郎建平，蘇州大學講席教授，國家自然科學基金青年科學基金項目（A類），蘇州大學學位評定委員會副主席    

北京時間10月8日，瑞典皇家科學院宣布，將2025年諾貝爾化學獎授予北川進（Susumu Kitagawa，日本）、理查德·羅布森（Richard Robson，英國）和奧馬爾·亞基（Omar M. Yaghi，美國）3位科學家，以表彰他們“發展了金屬-有機框架（Metal-Organic Framework, MOF）”。諾貝爾化學獎委員會主席海納·林克評價道：“金屬有機框架具有巨大的潛力，為定制具有新功能的材料帶來了以前無法預見的機會。”    

受中國古代哲學家莊子思想啟發

金屬有機框架（Metal-Organic Framework, MOF）是一種由金屬離子或金屬團簇與有機配體通過配位鍵自組裝形成的晶態多孔材料。它們的晶體結構包含巨大的化學空間，氣體和其它化學物質可以在其中自由流動。MOF的最大特點是其驚人的比表面積——僅僅一克材料的內部表面積就能達到6000平方米，超過一個足球場的面積。這種多孔特性使MOF成為“會呼吸的材料”。     

在科學價值方面，MOF代表了分子工程學的重大突破。通過改變金屬離子和有機配體的組合，化學家可以像搭積木一樣，精確設計材料的孔徑和功能。這種可定制性使MOF成為化學領域的“萬能工具箱”，為材料科學帶來了前所未有的設計自由度。

理查德·羅布森（Richard Robson）教授在1989年將帶正電的銅離子與一個四連接有機分子結合，組織成一個秩序井然、充滿空腔的晶體結構。就像鉆石中的碳原子一樣，它們形成了規整的晶體，但與致密鉆石不同，這種晶體含有大量孔道結構。奧馬爾·亞基（Omar M. Yaghi）教授在1995年發表了兩種不同二維材料的結構，并創造了“MOF”這一名稱。然而，理查德·羅布森教授的結構相當脆弱，容易散架。許多化學家認為它們毫無用處，但北川進（Susumu Kitagawa）教授和奧馬爾·亞基教授看到了這些發現的潛力。北川進教授的科研生涯遵循著“無用之用”的原則。他年輕時閱讀諾貝爾獎得主湯川秀樹的著作，了解到中國古代哲學家莊子關于“無用之用”的思想。即使某物不能帶來直接的好處，但它仍可能被證明是有價值的。因此，當北川進教授開始研究多孔分子結構，他并不認為它們必須有立即可見的用途。1997年，北川進教授取得了關鍵突破。他的研究小組使用鈷、鎳或鋅離子和4，4′-聯吡啶分子，創造出了具有開放通道的三維MOF。當他們將其中一種材料徹底干燥后，它依然穩定，并且可以吸收和釋放甲烷、氮氣和氧氣，而形狀保持不變。1999年，奧馬爾·亞基教授研發出MOF-5，這是一種極其穩定且空間巨大的框架，獲得超過2000平方米每克的比表面積。以此為基礎，奧馬爾·亞基教授和北川進教授等團隊繼續擴展MOF家族，創造出數萬種變體，并應用于氣體儲存和分離、催化、傳感、醫療和環境等各個方面。

MOFs就像用樂高積木搭建一個無限延伸的立體網格，其內部是中空的就形成了無數的“房間”，它們提供了巨大的內部表面積，僅僅幾克重的MOF材料，其內表面積展開后可媲美一個足球場。

持續推動產業發展格局深刻變革

MOF作為一類“分子級樂高”材料，并非僅局限于實驗室階段的創新性研究成果，已在解決人類面臨的多項重大挑戰性問題中展現出實際應用價值，并為前沿高科技產業的發展拓展了廣闊的應用空間。

在水資源利用領域，極端干旱區域的地表水資源極度匱乏，而MOF可依托高效的空氣取水機制從空氣中選擇性吸附水分子，即便在沙漠等極端干旱環境下，仍能實現飲用水的穩定制備，為水資源短缺地區的供水難題提供了創新性解決方案。在應對氣候變化領域，MOF 發揮著關鍵支撐作用。其具備優異的二氧化碳選擇性吸附性能，可高效捕獲電廠等工業排放源釋放的二氧化碳，吸附效率顯著優于傳統碳捕獲材料，為推動“雙碳”目標落地提供了重要技術路徑。

在環境治理領域，針對難降解污染物與抗生素殘留等關鍵治理難題，特定結構的MOF可通過精準的分子識別與篩分機制，實現此類污染物的高效去除，顯著提升水體凈化效果。在高新技術產業領域，MOF更是扮演“多功能核心功能材料”的關鍵角色。

在能源領域，該領域長期受限于儲能與輸運技術瓶頸——例如，氫能汽車的氫存儲，傳統上依賴高壓儲氫罐，存在安全風險與操作復雜度高的問題，而MOF可在常溫常壓條件下實現氫氣的高效存儲，同時能顯著提升天然氣輸運效率，為清潔能源規模化推廣奠定重要基礎。

在生物醫藥領域，基于MOF構建的“納米藥物載體系統”具備精準靶向遞送能力，可實現抗癌藥物向腫瘤細胞的靶向遞送與可控釋放，有效降低化療對正常細胞的毒副作用，顯著提升患者治療耐受性與生活質量。

在高端制造領域，MOF的應用價值同樣突出。基于柔性MOF構建的傳感器件，一方面可通過吸附水果釋放的催熟氣體（如乙烯）延長農產品保鮮周期，另一方面能在半導體制造環境中實現有毒氣體的實時檢測，保障生產環境安全。

從未來發展前景來看，MOF的應用潛力仍有極大挖掘空間。其具備“按需定制”的結構可設計性，通過調控金屬中心節點與有機配體的結構，可實現對材料孔徑尺寸、功能位點的精準調控，進而開發出適配環保、能源、生命健康等特定領域需求的專用功能材料，推動化工產業向綠色化、精準化方向轉型。更值得關注的是，MOF的研發正與人工智能（AI）、超級計算等前沿技術深度融合，傳統研發周期長達數年的新型MOF材料，如今可通過計算輔助設計實現高效開發。綜上，MOF正逐步發展為21世紀科技進步的標志性功能材料之一，持續推動人類社會尤其是人類生活方式與產業發展格局的深刻變革。

（本文編輯：朱廣清）