10月8日，日本京都大學(xué)北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）、澳大利亞墨爾本大學(xué)理查德·羅布森（Richard Robson）和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）因發(fā)展金屬–有機(jī)框架的貢獻(xiàn)（for the development of Metal–Organic Frameworks）分享了2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。金屬–有機(jī)框架是由金屬節(jié)點(diǎn)與有機(jī)配體構(gòu)筑而成的多孔晶體，具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、孔徑可調(diào)節(jié)、功能可定制等優(yōu)勢(shì)，在氣體存儲(chǔ)、吸附分離、分子傳感和多相催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。如今，MOF已經(jīng)從基礎(chǔ)研究逐步走向產(chǎn)業(yè)化，未來(lái)在碳捕集、沙漠集水、氫氣存儲(chǔ)等綠色技術(shù)中潛力巨大。
從“普魯士藍(lán)”到“超級(jí)海綿”
20世紀(jì)90年代之前，化學(xué)家已經(jīng)掌控了在天然產(chǎn)物等復(fù)雜“零維”分子的精準(zhǔn)合成，或“一維”高分子鏈巧妙構(gòu)筑，但如何按定制化需求搭建二維和三維結(jié)構(gòu)依然是“合成的荒漠”。1913年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主阿爾弗雷德·維爾納（Alfred Werner）奠定了配位化學(xué)的基礎(chǔ)，開(kāi)啟了利用金屬–配體鍵合作用設(shè)計(jì)晶體網(wǎng)絡(luò)的可能。更早之前，人們偶然合成的顏料——“普魯士藍(lán)”，其由–FeII–CN–FeIII–重復(fù)單元構(gòu)成的三維骨架與孔隙，被視作多孔晶體的設(shè)計(jì)雛形。1959年，日本化學(xué)家齊藤喜彥（Yoshihiko Saito）等人利用柔性脂肪二腈和四面體亞銅合成了一維到三維的配位聚合物，但這些材料大多為致密結(jié)構(gòu)，缺乏實(shí)用的多孔性質(zhì)。
1989年，羅布森教授靈光乍現(xiàn)，選用四面體的甲基四苯腈作為剛性配體，成功搭建出具有金剛石型拓?fù)涞碾x子型配位聚合物，不僅形成了相對(duì)較大的空腔，還展現(xiàn)了離子交換特性。他進(jìn)一步引入拓?fù)鋵W(xué)概念，將有機(jī)配體的幾何基元“嫁接”到無(wú)機(jī)晶體的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑，開(kāi)拓了以幾何基元搭建可預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的“分子樂(lè)高”構(gòu)筑范式。
1992年，北川進(jìn)教授發(fā)現(xiàn)亞銅中心與吡嗪構(gòu)成的二維多孔配位聚合物可以容納丙酮分子。然而，當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為此類(lèi)材料脫除客體無(wú)法保持多孔性，他因此屢遭質(zhì)疑。直到1997年，他證明了基于鈷中心和4,4’-聯(lián)吡啶構(gòu)筑出的“三維榫槽結(jié)構(gòu)”可吸附甲烷、氮?dú)夂脱鯕猓⒊掷m(xù)揭示該類(lèi)材料的柔性與動(dòng)態(tài)吸附行為，從而提出了“柔性多孔晶體”的概念，顛覆傳統(tǒng)的氣體吸附理論。“無(wú)用之用，方為大用。”正如他所鐘愛(ài)的中國(guó)哲學(xué)所說(shuō)，北川進(jìn)的堅(jiān)持最終改變了人們對(duì)材料“無(wú)用”的偏見(jiàn)。
圖1. 2018年北川進(jìn)教授（前排左五）帶領(lǐng)京都大學(xué)高等研究院團(tuán)隊(duì)訪(fǎng)問(wèn)上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
1995年，亞吉教授在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）首次提出“金屬有機(jī)框架（MOF）”的概念，并在《自然》（Nature）報(bào)道了采用帶電有機(jī)配體構(gòu)筑的MOF-1 [Co(BTC)(Py)2]，展示了客體分子的可逆交換，宣告了MOF概念的誕生。面對(duì)“不穩(wěn)定、不可用”的質(zhì)疑，他采用幾何更加剛性的金屬簇作為“次級(jí)構(gòu)筑單元（SBU）”點(diǎn)亮了納米建筑世界。1998年，他團(tuán)隊(duì)合成了由Zn2(-COO)4輪槳狀SBU和對(duì)苯二甲酸構(gòu)筑的骨架，首次測(cè)得微孔材料典型的I型氮?dú)馕降葴鼐€(xiàn)，證明了材料的永久孔隙性。1999年，亞吉團(tuán)隊(duì)以Zn?O(-COO)6八面體SBU和對(duì)苯二甲酸構(gòu)筑了里程碑式MOF-5。該材料骨架結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)且熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)異，比表面積高達(dá)2900 m2/g，遠(yuǎn)超沸石和活性炭，開(kāi)辟了多孔材料研究的新時(shí)代。如今，MOF材料的比表面積已突破7000 m2/g——一枚硬幣大小的MOF材料，其內(nèi)部孔隙的總表面積竟相當(dāng)于一座足球場(chǎng)，被譽(yù)為“超級(jí)分子海綿”。
圖2. 2023年亞吉教授參加上?？萍即髮W(xué)第三屆《材料研究評(píng)述》（Accounts of Materials Research）大會(huì)并作大會(huì)報(bào)告
從“教育平權(quán)”到“全球科學(xué)”
研究MOF材料的“網(wǎng)格化學(xué)”因原理直觀(guān)、結(jié)構(gòu)優(yōu)美且實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)易于推廣，很快在全球掀起研究熱潮，也成為發(fā)展中國(guó)家推動(dòng)基礎(chǔ)研究的重要入門(mén)學(xué)科。亞吉教授不僅是一位科學(xué)家，更是教育平權(quán)的倡導(dǎo)者。他曾幫助越南、馬來(lái)西亞等國(guó)家建立研究中心，讓化學(xué)走向教育資源相對(duì)匱乏的地區(qū)。他在加州大學(xué)伯克利分校發(fā)起的“實(shí)驗(yàn)室研究體驗(yàn)計(jì)劃（Laboratory Research Experience Program, LRE），面向全球尤其是發(fā)展中國(guó)家青年學(xué)者進(jìn)行選拔，提供與頂尖實(shí)驗(yàn)室同步的科研訓(xùn)練。他還積極推動(dòng)新型研究型大學(xué)建設(shè)，曾任上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)術(shù)顧問(wèn)和特聘教授；他大力支持青年人才培養(yǎng)，他指導(dǎo)的博士后章躍標(biāo)和博士生趙英博先后加入上?？萍即髮W(xué)擔(dān)任課題組長(zhǎng)；他與中國(guó)保持長(zhǎng)期交流和合作，持續(xù)推動(dòng)MOF材料前沿研究在中國(guó)的發(fā)展與創(chuàng)新，他與上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院電鏡中心寺崎治（Osamu Terasaki）教授開(kāi)展分子編織的結(jié)構(gòu)表征合作，相關(guān)成果于2016年以封面文章在《科學(xué)》（Science）上報(bào)道。
從“初創(chuàng)公司”到“產(chǎn)業(yè)落地”
經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，MOF材料已逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)。其高比表面積與可調(diào)控孔洞結(jié)構(gòu)使其在儲(chǔ)氫、碳捕集、沙漠集水和能源轉(zhuǎn)化等綠色技術(shù)展現(xiàn)巨大潛力。巴斯夫公司率先實(shí)現(xiàn)MOF商業(yè)化生產(chǎn)，中國(guó)多家初創(chuàng)企業(yè)也在推動(dòng)量產(chǎn)。2025年5月，上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院助理教授趙英博聯(lián)合創(chuàng)辦了“樂(lè)諦化學(xué)”公司，亞吉教授擔(dān)任首席顧問(wèn)，該公司專(zhuān)注于MOF材料的產(chǎn)業(yè)化，目前已在工業(yè)除濕和沙漠集水應(yīng)用場(chǎng)景中取得初步成果。
中國(guó)學(xué)術(shù)界在這一領(lǐng)域積累深厚，已形成人數(shù)多且水平高的科研隊(duì)伍，頂尖成果不斷涌現(xiàn)。中國(guó)的產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)需求將進(jìn)一步推動(dòng)MOF實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，未來(lái)有望像鋰電池一樣，成為中國(guó)引領(lǐng)全球的綠色能源轉(zhuǎn)型的新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。面向“碳中和”目標(biāo)，上海科技大學(xué)正在實(shí)踐基于MOF材料的“直接空氣二氧化碳捕集”技術(shù)，利用綠色電能合成綠色甲醇和可持續(xù)航空燃煤，構(gòu)建未來(lái)能源體系。
從“科學(xué)智能”到“氣候治理”
2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)不僅表彰了三十余年來(lái)在金屬有機(jī)框架（MOF）發(fā)展中奠基性的貢獻(xiàn)，也為網(wǎng)格化學(xué)的未來(lái)發(fā)展指明了方向——人工智能與合成化學(xué)的深度融合正在為氣候治理新材料開(kāi)辟全新路徑。正如亞吉教授所強(qiáng)調(diào)的，網(wǎng)格化學(xué)的核心突破在于實(shí)現(xiàn)多孔材料的“精確設(shè)計(jì)”與“精準(zhǔn)后修飾”，使科學(xué)家從單純的“發(fā)現(xiàn)者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖ㄖ煛保軌虬凑仗疾都?、空氣集水與儲(chǔ)氫等綠色技術(shù)的需求定制材料。因此，化學(xué)不僅是一門(mén)中心科學(xué)，更是學(xué)科交叉的前沿陣地。隨著機(jī)器人化學(xué)家與科學(xué)智能的結(jié)合，材料研發(fā)的進(jìn)程將被極大加速，并推動(dòng)研發(fā)范式的根本轉(zhuǎn)變。在上?？萍即髮W(xué)“科學(xué)智能（Artificial Intelligence for Science, AI4S）專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃”的牽引下，物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院正開(kāi)展深度合作，通過(guò)構(gòu)建人工化學(xué)直覺(jué)與自動(dòng)化合成實(shí)驗(yàn)室，加速M(fèi)OF材料的創(chuàng)新與應(yīng)用。
結(jié) 語(yǔ)
從18世紀(jì)的普魯士藍(lán)，到20世紀(jì)的配位聚合物，再到21世紀(jì)的“超級(jí)分子海綿”，化學(xué)家們?nèi)嗄觊g完成了一次跨越三百年的接力。北川進(jìn)、羅布森與亞吉三位科學(xué)家所代表的科學(xué)成就，不僅拓展了化學(xué)空間的“分子樂(lè)高”，更以MOF材料為鑰匙，打開(kāi)了人類(lèi)社會(huì)奔赴未來(lái)材料之門(mén)。
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