2025年10月8日，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予北川进（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“开发金属-有机框架方面”的奠基性工作。

三位获奖者缔造了一种令人惊叹的“分子建筑”，即金属-有机框架（metal-organic frameworks，简称MOFs）结构——具有巨大的空腔，允许气体或其他化学物质分子出入其间。MOFs结构已被用于从沙漠空气中收集水、从水里提取污染物、捕获二氧化碳以及储存氢气等。

金属-有机框架提供了一种搭积木式的材料设计范式，使研究者能通过选择不同金属和有机配体，自主“定制”具有特定功能、面向专门任务的材料。MOFs材料主打“极高孔隙度”和“化学结构可调控”的特色，可在诸多领域实现创新应用，例如用作智能药物载体、骨再生支架或绿色催化剂。

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怎样利用有限的空间合理收纳尽可能多的东西？这是我们每个人每天都要面对的问题。今年的三位诺贝尔化学奖得主就设计、开发、完善了一套巨能装的结构——有机金属框架MOFs，可以容纳无数分子，比如水、氢气、二氧化碳，等等。

你平时是怎么做收纳的？相信不少观众和我一样，会整点衣架、挂钩、鞋柜啥的，把各种物件分门别类地归置好。从科学的角度看，这么做就像是在确定的总空间内增加了可以“吸附”物件的置物面积，提高了比表面积。

有很多材料，别看它小小一块，却因为比表面积大，巨能装。大家最熟悉的大概就是活性炭了，除个冰箱异味、脚气或是净水啥的，效果还是不错的。为啥？因为活性炭有很多孔，所以比表面积很大，能吸附很多分子。但活性炭的孔径大小不一，大大小小的分子一股脑全吸附了，选择性差，所以在高精尖领域应用有限。

有没有可以调节孔径大小从而做到想装什么分子就装什么分子的材料？有的，这就是我们今天的主角MOFs。

化学课上经常用到一种展示分子结构的球棍模型，就是用代表化学键的小木棍把代表各种原子的各色小球连起来。今年诺贝尔化学奖得主之一理查德 · 罗布森在用这套模型给学生上课的时候就想到，如果不是原子连原子，而是用分子连原子，会怎么样？

于是，1980年代，他就参考钻石晶胞的正四面体结构，尝试用一种带四条臂的有机分子连接4个铜离子。当时的大部分化学家觉得这么做不会有什么结果，只会散落一地离子和分子。然而，罗布森成功了，这种有机分子和铜离子自发形成了一个巨大的分子结构，构成了像钻石一样的晶体，但不同的是，这种晶体内部有很多、很大的孔。

罗布森当时就敏锐地察觉这种结构大有可为，并在1989年发表了这个成果。这便是最早的MOF，只不过当时还没有这个名字。

后来，罗布森又开发了几种类似的分子，成功是成功了，但很脆弱，容易散架。就像是咱们用乐高积木搭出的车子啥的，样子没问题，功能完全无法实现，甚至碰坏了还要赔。

时间来到1990年代，又一位拿到诺奖的日本科学家北川进利用钴、镍、锌等金属离子和一种有机分子创造出了具有开放通道的三维金属有机框架。这种结构就相当稳定了，而且确实有功能：可以吸收、释放甲烷、氮气、氧气。但仍旧没有引起业界的多大兴趣。为什么？因为在吸收分子的多孔材料这条赛道上早就有了一位老大哥——沸石。

早在1756年，瑞典矿物学家就发现了一种灼烧时会沸腾的石头，因而命名为沸石。之后，科学家又陆续发现了各种天然沸石并且发现了这种矿物具有很好的吸附作用。到了20世纪中叶，科学家又实现了人工合成沸石用作干燥剂、净化剂以及石油炼化的催化剂等，开发了各种功能，完成了沸石从矿物到多功能强大材料的转变。

北川进此时拿出的MOF功能与沸石高度重合，性能还大大不如，当然没啥人看得上了。意识到这点后，北川进又开发出了柔性MOF，相比刚性沸石，有了产品独特性。这种柔性MOF充满水、甲烷等分子时形状会改变，排空后又会复原，在保证稳定性的同时又提供了可塑性。

北川进忙着开发MOF的时候，约旦裔美籍科学家奥马尔 · M · 亚吉也在1995年开发出了加热到350℃也不会坍塌的稳定金属有机结构，并且首次响亮地喊出了“金属有机框架”（MOF）这个名字。

1999年，亚吉又设计出了具有里程碑意义的MOF-5，这种分子结构不但非常稳定，而且比表面积极大，几克MOF-5的表面积就相当于一个足球场，比沸石还能装！

还没完，亚吉又在21世纪初制造了16种MOF-5的变体，通过修饰MOF-5，就能改变材料的孔径大小，从而改变MOF-5可以存储的目标分子。这样一来，MOF材料便具备了高度的选择性，只需要一点微调就能根据目标实现定制操作。

打个不一定最恰当的比方，MOF材料就相当于一类具有很强定制功能的收纳平台，挂个钩子就能挂包包，开个柜子就能放鞋子，立根柱子就能挂衣帽。到了这里，MOF这个原本一碰就倒的乐高积木，不但解决了稳定性问题，更是一跃成为能够满足各种需求的高性能材料。

例如，在沙漠中集水，为环保事业捕获工厂释放的二氧化碳、有毒气体，为人类能源存储甲烷、氢气等燃料。

虽然老大哥沸石仍旧在稳定性、规模化应用、成本等方面有优势，但面对MOF这个后起之秀，不免要赞叹一句：未来是你的。

可以说，MOF材料的天赋和潜力瞎眼可见，在许多科学家心中很早就预定了一座诺贝尔奖。比如我们去年采访的2016年诺贝尔化学奖得主弗雷泽 · 斯托达特（Fraser Stoddart）在回答我们关于什么成就值得拿诺奖的提问时首推MOF。

回顾今年的三大诺贝尔自然科学奖，生理学或医学奖颁给调节T细胞是个大冷门，物理学奖在量子力学百年之际颁给电路中的宏观量子隧穿效应，总体算是意料之中，化学奖颁给MOFs可以说是众望所归了。另一方面，咱们前天刚说完日本在最近五六年拿诺奖势头放缓，今年就梅开二度，多少也是有点羡慕嫉妒。不过呐，咱们也不用着急，毕竟诺奖颁奖有滞后性，就像今年的三大工作都始于20世纪八九十年代。依咱们现在对科学技术的重视与投入，还怕日后无法实现MOF对沸石这样的超车吗？

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