诺贝尔化学奖揭晓！从全球气候到个人健康，金属有机框架潜力巨大

AI科技 2025年10月11日 02:46 0 admin

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编辑：欣阅

今年10月8日，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖的桂冠，授予了三位科学家：北川进、理查德·罗布森以及奥马尔·M·亚吉。

这并不是因为他们发现了一种简单的“新材料”，而是因为他们共同开启了一个“可编程的分子宇宙”。

他们所开发的金属有机框架（MOFs），与其说是一种物质，不如说是一个物质创造平台。

这个奖项认可的，正是这种从0到1，为精确应对从全球气候到个人健康等一系列挑战提供了无限可能性的“设计”能力。

微观世界的建筑大师

那么，MOFs到底是个啥？想象一下，我们能在分子尺度上玩乐高积木。这里的“积木块”，一边是带电的金属离子或离子簇，另一边则是有机配体。科学家用一种叫“配位键”的化学黏合剂，把它们精巧地拼接起来。

最终的结果，就是一个高度有序、像水晶一样规整的三维网络。这个网络最神奇的地方在于它的内部——不是实心的，而是布满了巨大且孔隙大小可以人为调节的空间。它的结构，就好比一个内部被掏空，布满了无数个房间的钻石。

这个内部空间大到什么程度？简直是离谱。只要一小撮，仅仅一克的MOFs粉末，把它内部所有孔道的表面积全部展开，面积竟然能超过一个标准的足球场。这个概念本身就足以让人惊叹。

这一切的开端，要追溯到1989年。当时，理查德·罗布森首次尝试将带正电的铜离子和一种有四个“手臂”的分子结合在一起，他的构想，就是创造出这种内部充满空间的有序晶体，为后来的整个领域奠定了空间建筑学的基础。

这种结构也天然地继承了父母双方的优点：既有金属离子的活性，又兼具了有机物结构的柔韧性和化学选择性。

从不靠谱到可编程

当然，罗马不是一天建成的。罗布森最初创造出的那些分子结构，就像用湿沙子盖的城堡，非常不稳定，很容易就崩溃了。一个脆弱的概念，如何才能变成一个可以被工程师精确“编程”的物质平台？这就要靠另外两位获奖者的努力了。

奥马尔·M·亚吉的工作是决定性的。他不仅成功合成出一种非常稳定的MOFs，更关键的是，他向世界证明了：这种材料的结构是可以被“合理设计”的！也就是说，科学家可以像写代码一样，通过更换不同的金属和有机配体，来精确赋予材料全新的、我们想要的特性。

而来自日本的北川进则打开了另一扇大门。他发现，气体分子竟然可以自由地流入和流出这些微小的孔道，并且大胆预测，MOFs的结构可以变得更加“灵活”，能够根据外界刺激做出响应。这一下，就为各种动态应用铺平了道路。

正是从1992年到2003年间，亚吉和北川进取得的一系列突破，让MOFs从一个实验室里的“新奇玩意儿”变成了真正的“未来材料”。

可以这么总结三人的分工：罗布森创造了它，而北川进和亚吉则完善了它，并设计出了它的无数种可能性。也正因如此，如今被设计出来的MOFs种类已经超过了惊人的88，000种。

这完美印证了诺贝尔化学委员会主席海纳·林克的评价：它为“具有新功能的定制材料带来了前所未有的机会”。

给地球装个净化器

拥有了这种可以定制的“超级海绵”，我们能用它来干什么呢？首先想到的，就是解决那些最棘手的全球性危机。凭借其独特的吸附和分离能力，MOFs正在成为应对气候变化和水资源短缺的有力工具。

比如，捕捉大气中的二氧化碳。加拿大研究人员在2022年就研制出一种名为CALF-20的MOF材料。这家伙简直就是个碳捕捉能手。在室温和1.2个大气压下，它能吸附相当于自身重量约18%的二氧化碳。

更厉害的是它的“挑剔”。在混杂着各种气体的环境中，它对二氧化碳有极佳的选择性，甚至在空气相对湿度高达40%的情况下，水蒸气的干扰也奈何不了它。这在实际工业应用中至关重要。

除了上天“捕碳”，它还能入地“造水”。想象一下，在撒哈拉、戈壁或是塔克拉玛干这样的极度干旱地区，空气里依然含有稀薄的水蒸气。MOFs就像一块海绵，在夜间低温时吸收这些水蒸气。

白天温度升高，它又会像拧毛巾一样，将吸收的水分以液态水的形式释放出来。整个过程完全不依赖电力，仅仅利用沙漠中天然的昼夜温差驱动，是地地道道的清洁能源方案。

初步试验的结果令人振奋：每千克MOF材料，每天可以从沙漠空气中收集超过一升水，而且水质非常干净。这项技术已经通过了实验室和沙漠实地试验的双重验证，潜力无限。

细胞里的精准快递员

如果说应对全球危机展现了MOFs的宏大叙事，那么它在微观层面的应用，则体现了对个体生命的深切关怀。在宏观应用之外，MOFs正成为精准医疗领域的理想载体，有望实现个性化的药物递送。

药物传递，是目前最能体现其应用价值的领域之一。MOFs的多孔结构，简直就是为药物分子量身定做的“仓库”和“快递车”。

药物分子可以被“装载”进去。一种方式是吸附，药物分子通过氢键、π-π堆积等相对温和的作用力，被“塞”进MOFs的孔隙里或附着在表面。例如，一种低细胞毒性的卟啉MOF（PCN-221），就被用来装载抗癌药甲氨蝶呤。

这种药物常用于治疗癌症和自身免疫疾病。实验证明，PCN-221不仅对甲氨蝶呤的载药量很高，还能在模拟生理环境下实现缓慢释放，大大提高了药效，减少了副作用。

还有一种更巧妙的“装载”方式。科学家们干脆把药物分子本身，比如胰岛素，当作构建MOF的有机配体之一，直接参与到框架的搭建中。这样一来，药物就成了材料结构的一部分，释放过程可以被设计得更加精准。

从净化地球的宏大尺度，到服务于人体内细胞级别的微观干预，MOFs的应用跨度之大，充分展示了这种“可编程”物质平台的革命性。

结语

诺贝尔奖对金属有机框架的肯定，不仅仅是对三位科学家的嘉奖，更深层的意义在于，它标志着化学这门古老学科正在经历一场范式转变——从“发现物质”到“设计物质”。

MOFs不是一种材料，而是一个能创造出无数种材料的“蓝图”和“工具箱”。它被预测为“21世纪的决定性材料”，如今看来，这并非夸大其词。

从应对气候变化到攻克顽固疾病，它的潜力还远未被完全发掘，一个由人类理性设计物质的新纪元，或许才刚刚拉开序幕。

诺贝尔化学奖揭晓！从全球气候到个人健康，金属有机框架潜力巨大

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结语

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