2025年諾貝爾化學獎得主的照片，圖片來源：諾獎官網(wǎng)

2025 年 10 月 8 日北京時間 17 時 45 分，瑞典皇家科學院決定將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）、奧馬爾·M.亞吉（Omar M. Yaghi，約旦裔美國籍）三位科學家，以表彰他們在金屬有機框架（metal-organic framework，MOF）領(lǐng)域所做出的貢獻。

是你在開獎前看好的學者與研究領(lǐng)域嗎？在我們之前發(fā)布的2025年諾貝爾化學獎預測文章里，這三位獲獎者中的兩位，被準確預測到了！ （點此查看）

由于2024年的諾貝爾化學獎與諾貝爾物理學獎都授予了與AI相關(guān)的研究，而近幾年的諾貝爾化學獎又頻繁偏向與生物學、物理學等交叉的領(lǐng)域，因此在今年的獲獎者名單揭曉之前，許多學者便已經(jīng)展開熱烈討論，他們好奇今年的諾貝爾化學獎究竟是會繼續(xù)青睞那些“聽起來不太化學”的跨學科研究？還是會回歸更加傳統(tǒng)與純粹的化學領(lǐng)域？

如今答案已經(jīng)揭曉。此次獲獎的金屬有機框架（MOF）材料雖然與材料科學領(lǐng)域存在交叉，但它的核心仍然是一項極為純粹的化學創(chuàng)新。更可貴的是，該領(lǐng)域研究的“源頭之光”——理查德·羅布森同樣獲得了獎項。這體現(xiàn)了諾貝爾獎評定中對于學術(shù)原創(chuàng)精神的尊重與肯定！

評獎現(xiàn)場的照片，圖片來源：央視新聞

他們的獲獎同時也彰顯了一個事實：即便在如今AI浪潮與交叉學科盛行的時代背景下，較為純粹與傳統(tǒng)的化學研究同樣能夠取得卓越成就。今年的獲獎成果，尤其展示了傳統(tǒng)化學家所獨有的審美、銳敏的洞察和務實的開拓！

化學家的純粹與浪漫——像搭“樂高積木”一樣制造新材料

當下快節(jié)奏的生活似乎讓人們忘記了許多淳樸的浪漫，以科學為例，它其實從來都不只是冰冷的數(shù)據(jù)與公式，或是對眼下生產(chǎn)效率的短暫追求?？茖W方面的工作，在本質(zhì)上也是一種對美的持續(xù)創(chuàng)造，它源自人類對自然規(guī)律與秩序的由衷好奇與執(zhí)著探索。

許多偉大的科學研究，其最初的靈感，都源自于對探究自然規(guī)律的熱愛，以及學者基于自身學識、性格、經(jīng)歷等，所培養(yǎng)出的獨特審美與品位。

比如，本次獲獎者之一的理查德·羅布森，他開創(chuàng)這項偉大研究的靈感起源，其實是最基本的教學備課手工活。

1974年，在澳大利亞墨爾本大學內(nèi)，理查德·羅布森當時正為了備課，而在用木球和木棍制作原子模型。這種模型是化學課堂上常見的教學工具，其中的木球代表原子，用來連接木球的木棍則代表化學鍵。

而就在那時，羅布森突然意識到——這種模型中所預設的連接孔洞的位置和角度其實蘊含著原子成鍵規(guī)律！這讓他萌生出一個大膽的設想。能不能利用這種規(guī)律，讓人們像拼積木一樣，用原子固有的成鍵特性來連接不同類型的分子（而非單個原子），從而創(chuàng)造出全新類型的分子結(jié)構(gòu)呢？

直到十多年后，他才終于動手實現(xiàn)了這個想法。受鉆石晶體結(jié)構(gòu)啟發(fā)，羅布森用帶正電的銅離子（Cu?）取代碳原子，去與一種“四臂有機分子”結(jié)合。這就好像我們拼樂高積木時，只要看準接口，就可以較為隨意地去嘗試不同的拼搭。

理查德·羅布森利用銅離子和一個帶有四條臂的分子做出的有序且蘊含大量空腔的晶體，圖片來源：諾獎官網(wǎng)

然而對于這樣的嘗試，當時的多數(shù)化學家卻并不看好。他們認為這種“胡搭亂造”會生成亂糟糟的混合物。而出乎他們預料的是，離子與分子間的相互作用（引力）引導讓這個拼搭過程高度有序，最終形成的竟然是規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，并且其中蘊含著大量空腔！

那時候在自己發(fā)表的論文中，羅布森還曾預言，這種擁有前所未有特性的材料必定蘊含著巨大的應用潛力！從如今的結(jié)果來看，他當初的判斷果真極具前瞻性！

化學家的堅定與堅持——在不被看好的“廢料場”中尋寶

在如今這個“信息爆炸”的時代，我們似乎總急著去追逐一個又一個新熱點，時刻害怕被潮流拋在身后。但可別忘了，許多驚艷人類文明的重大科學發(fā)現(xiàn)與研究，其實都曾一度被埋沒在不被看好的“廢料場”里。

“從廢品中尋到寶”需要獨到的眼光與質(zhì)疑精神，拾起被別人所認定的廢料需要一定的勇氣，而憑借自身的學識與研究，去將“廢品”一點點地修復、升級、改裝為精品，則更需要長久的堅守與堅定的毅力。盡管在揭示了分子結(jié)構(gòu)可以“自發(fā)搭建”的可能性后，理查德·羅布森又繼續(xù)探索出了這些新型晶體的更多奇異性能，并非常有前瞻性地指出，經(jīng)過精準、理性設計的新型分子結(jié)構(gòu)或?qū)⒈挥糜诖呋瘜W反應。但由于這些早期的構(gòu)造物并不十分穩(wěn)定，普遍較為容易分解。所以當時學界的許多化學家還是將其視為無用之作。

然而就在大多數(shù)人對這個研究領(lǐng)域搖著頭，轉(zhuǎn)身離開時，卻又有具備質(zhì)疑精神的孤勇者看見了這片“廢料場”中閃爍的微光。

這就是另一位獲獎者北川進，他秉持著中國古代哲學家莊子那 “無用之用”的智慧，勇敢地動手“挖掘”起這種在彼時似乎顯得極為無用的多孔分子結(jié)構(gòu)的潛在價值。

面對申請經(jīng)費被拒絕、諸多提案遭冷落的困境，他從未放棄。終于，在1997年，他制備出第一種結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定、可吸附氣體的三維金屬有機框架。它能像海綿一樣吸入和釋放甲烷、氧氣和氮氣。

1997年，北川進成功制備出較為穩(wěn)定的金屬有機框架材料，圖片來源：諾獎官網(wǎng)

然而，對于北川進的研究成果，諸多資助方仍不買賬，他們認為明明有性能更優(yōu)的材料也可以實現(xiàn)類似的功能。這終于激發(fā)北川進下定決心去探索金屬有機框架材料的更多價值。

他在1998年的《日本化學會會報》中列舉了MOF的多種優(yōu)勢，比如其可通過理性設計整合更多功能，并且可由柔性分子單元構(gòu)成可塑性材料。

北川進提出金屬有機框架可被制成柔性材料，如今已有大量案例證實了這個理論，圖片來源：諾獎官網(wǎng)

與此同時，另一位獲獎者奧馬爾·亞吉也正在美國“助力”類似方向的研究。

他一直希望能在新材料的設計領(lǐng)域有所突破，用一種更可預測，更為可控的方式制備新材料。當他的團隊開始將金屬離子與有機分子結(jié)合時，終于取得了突破。此后，亞吉在1995年發(fā)表了相當于用銅離子或鈷離子連接而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當被鑲嵌滿客體分子后，這種材料的熱穩(wěn)定性較高，被加熱到350°C也不會坍塌。

在1999年，亞吉發(fā)表了 MOF-5 材料（第5號MOF材料），這是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作，其穩(wěn)定性保證了：即使處于空載狀態(tài)，它也可以在300°C的高溫下保持結(jié)構(gòu)完整而不坍塌。這種材料內(nèi)部的空腔中蘊含著巨大的表面積，僅僅幾克該材料的內(nèi)部表面積就相當于一個足球場那么大！

除此之外，亞吉還曾在《自然》雜志的論文中首次提出“金屬有機框架”這一術(shù)語來描述這種材料。

這三位獲得本屆諾貝爾化學獎的學者用實踐證明：被質(zhì)疑或忽視的領(lǐng)域，其實往往隱藏著能夠改變世界的“金鑰匙”。不盲目追求熱點，能夠憑借自身的知識與研究經(jīng)歷，培養(yǎng)出獨到的科研審美與洞察力，從而在無人問津的廢料堆里，敏感捕捉到閃著光的寶藏，并在他人的質(zhì)疑聲中幾十年如一日地執(zhí)著挖掘……這些或許才是在當前的時代背景下，更為可貴的學術(shù)勇氣與品格。

著名的MOF-5，數(shù)克的該種材料即擁有足球場級別的表面積，圖片來源：諾獎官網(wǎng)

化學家的勵志與務實——MOF材料的最大應用可能在未來

諾貝爾獎委員會在一份聲明中說，這類MOF材料可用于從沙漠空氣中收集水分、捕獲二氧化碳、儲存有毒氣體或催化化學反應等，有助于應對氣候變化和淡水短缺等挑戰(zhàn)。

至于將MOF材料用于從沙漠空氣中收集水分的緣起，其實與這位來自約旦的化學家奧馬爾·M·亞吉的經(jīng)歷不無關(guān)系。奧馬爾·亞吉于 1965 年出生在約旦首都安曼，成長于一個難民聚居區(qū)，童年時期家庭缺水嚴重，常常只能在每兩周的時間里獲得一次集中取水的機會。他本人曾回憶，正是這種“沙漠里缺水的親身經(jīng)歷”激發(fā)了他對水資源問題的關(guān)注，并成為后來研發(fā) “MOF 取水技術(shù)”的初衷之一。

奧馬爾·M·亞吉在約旦的兒時照片，前排第一位。圖片來源：網(wǎng)絡

亞吉團隊以MOF為核心部件的設計在沙漠地帶成功收集到水。圖片來源：網(wǎng)絡

亞吉15歲來到美國求學，但他從未忘記家鄉(xiāng)缺水之苦，他希望通過化學手段來解決這個問題。后來，亞吉團隊以MOF為核心部件設計的水收集器，終于讓從沙漠空氣中汲水成為現(xiàn)實——平均每公斤MOF每天能從低濕度空氣中抽取超過1.3升水，超過了維持生命所需的最低限度。即便在極端干燥的環(huán)境，如7%的相對濕度和超過27攝氏度的溫度下，該設備中每公斤的MOF每天仍能產(chǎn)生0.2升的水。

在約旦沙漠地區(qū)的生活讓亞吉深刻體會到“水是最稀缺、最寶貴的資源”，他在科研中把這種個人經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為探索科學的動力，專門設計能夠在干旱環(huán)境下捕獲空氣中水分的 MOF 材料，以期幫助類似的干旱地區(qū)獲得清潔飲用水。亞吉從個人的生活困境出發(fā)，推動設計出在全球范圍內(nèi)可持續(xù)供水的創(chuàng)新方案，體現(xiàn)了“科研來源于生活需求”的務實案例。

這只是MOF材料應用實例中最動人的故事。實驗室內(nèi)的“明星材料”要走向大規(guī)模實用化雖然仍面臨很多障礙和挑戰(zhàn)，但這些材料當前已經(jīng)在市場中展現(xiàn)出廣闊的前景。這里不得不提，中國憑借完整的產(chǎn)業(yè)鏈、龐大的市場需求和持續(xù)的研發(fā)投入，正在全球MOF的產(chǎn)業(yè)化進程中扮演著至關(guān)重要的角色。

當然，MOF材料最大的應用可能還是在未來。在這三位先驅(qū)科學家的發(fā)現(xiàn)之后，當今全球化學家們已經(jīng)構(gòu)建了數(shù)以萬計的不同MOF材料，其中一些可能有助于解決人類面臨危機時刻的一些重大挑戰(zhàn)。

作者：宋世超 雷永青

審核專家：薛斌 上海海洋大學副教授，中國化學會《化學通訊》編委

本文來源科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”，已經(jīng)授權(quán)發(fā)布