中新經(jīng)緯10月13日電 題：諾獎青睞的“化學樂高”有多神奇？

　　作者 袁帥 南京大學化學化工學院、配位化學國家重點實驗室教授

　　近日，日本京都大學的北川進、澳大利亞墨爾本大學的理查德·羅布森以及美國加州大學伯克利分校的奧馬爾·M·亞吉三位科學家，因在“金屬有機框架”(MOF)領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻，獲得2025年諾貝爾化學獎。

　　化學界的“樂高”

　　什么是金屬有機框架？從學術(shù)定義來看，金屬有機框架是由金屬離子或金屬團簇和有機配體，通過配位鍵自組裝形成的三維框架結(jié)構(gòu)。這個專業(yè)名詞恰如其分地概括了其組成和特性——“金屬”“有機”和“框架”。

　　如果用更通俗的比喻來解釋，MOF就像分子世界的樂高積木。金屬節(jié)點相當于樂高的凸點，有機配體則如同連接桿，科學家們利用這些分子級別的“積木塊”，可精心搭建起一座座精美的“樂高大廈”。

　　這些“大廈”的最獨特之處在于，它們不是實心的，而是空心的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有無數(shù)個“房間”，房間之間由“走廊”相互連接。在材料科學中，我們稱這種結(jié)構(gòu)為多孔結(jié)構(gòu)。每一個孔洞或“房間”都可以容納“客人”——即吸附各種分子。

　　與傳統(tǒng)的多孔材料如沸石和活性炭相比，MOF有著顯著優(yōu)勢。沸石和活性炭已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，它們的優(yōu)勢在于成本低廉。不過，這些材料雖然都具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，但它們的孔道要么是天然形成的，要么是基于經(jīng)驗合成或改造的，缺乏定向性，很難實現(xiàn)在原子級別上的精準控制。MOF則完全不同�；氐綐犯叻e木的比喻，它更像是能夠按照設(shè)計圖紙精確拼裝的樂高模型。MOF的兩個組成部分——金屬和有機配體，提供了幾乎無限的組合可能性。元素周期表中的大多數(shù)金屬都可以用來構(gòu)建MOF，而有機配體的種類更加豐富多樣，有機配體還可以有不同的長度和各種官能團(有機化合物分子中能夠決定化合物主要化學性質(zhì)的原子或原子團)�？茖W家可以根據(jù)需求選擇特定的金屬和有機配體。這種高度的可設(shè)計性使得研究人員能夠在分子層面上精確調(diào)控孔洞的大小、形狀和化學環(huán)境，這是傳統(tǒng)多孔材料無法比擬的優(yōu)勢。

　　用“分子海綿”改變世界

　　盡管MOF目前尚未實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，但研究人員正在積極推動其走向?qū)嶋H應(yīng)用。

　　氣體吸附與分離是MOF的“老本行”。作為多孔材料，它天然適合吸附氣體。不同氣體在MOF中的吸附能力差異，使其能夠用于氣體分離。這一特性還可用于氣體儲存，特別是氫氣、甲烷等能源氣體。與傳統(tǒng)的高壓鋼瓶儲存方式相比，使用MOF可以在較低壓力和較高溫度下實現(xiàn)高效儲存，顯著降低儲存成本。使用MOF材料填充的甲烷儲罐，在相同壓力下存儲量可達傳統(tǒng)容器的數(shù)倍。這意味著在有限空間內(nèi)可以存儲更多能源，或者相同存儲量下容器體積可以更小，從而提高存儲密度和便攜性。

　　此外，還可以利用其吸附能力從空氣中提取水，諾貝爾獎得主奧馬爾·M·亞吉團隊目前正在開發(fā)相關(guān)技術(shù)。MOF材料可以在夜晚吸附空氣中的水蒸氣，白天再釋放出來，經(jīng)過冷凝處理后轉(zhuǎn)化為飲用水，為解決缺水問題提供了新思路。

　　催化領(lǐng)域是MOF的另一重要應(yīng)用方向。MOF的多孔結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部位點都能暴露在表面上，學術(shù)上稱為“比表面積特別大”，一個方糖大小的MOF材料鋪開能有足球場那么大。原因是傳統(tǒng)的塊狀固體催化劑只有表面是活性位點，而MOF材料的每一處都可能是活性位點。

　　在能源領(lǐng)域，MOF也展現(xiàn)出巨大潛力。近年來，我國光伏、風電等新能源快速發(fā)展，但這些能源存在時間和季節(jié)性的周期波動。例如光伏發(fā)電白天有、晚上無，需要“削峰填谷”的技術(shù)手段。電解水制氫是一種理想的解決方案——中午新能源過剩時，可用于分解水制氫；夜晚再將氫氣通過燃料電池等技術(shù)轉(zhuǎn)化回電能。MOF在這一過程中既可作為高效催化劑，也可作為儲氫材料。

　　在電池技術(shù)方面，MOF可用于鋰離子電池、鈉離子電池等，包括作為電極材料、隔膜或固態(tài)電解質(zhì)。特別是作為隔膜和電解質(zhì)，MOF的孔道結(jié)構(gòu)可以為離子遷移提供“高速通道”，在這方面可能比其他材料更具優(yōu)勢。

　　光電領(lǐng)域是MOF的另一應(yīng)用方向。MOF可作為新型半導體材料。由于其結(jié)構(gòu)更加豐富多樣，可能表現(xiàn)出傳統(tǒng)半導體不具備的物理性質(zhì)，例如某些MOF在外部刺激(如光、熱、壓力或客體分子吸附/脫附)下會發(fā)生結(jié)構(gòu)重構(gòu)，從而導致電導率發(fā)生數(shù)個數(shù)量級的劇烈變化，這為制造高靈敏傳感器和開關(guān)器件提供了可能。目前這一領(lǐng)域仍處于探索階段。

　　MOF在獲獎前已是全球研究熱點。科學界普遍認為，雖然MOF目前主要處于基礎(chǔ)研究階段，但遲早會找到實際應(yīng)用場景。一旦證明其在生活中有實用價值，相關(guān)研究者必然會獲得諾貝爾獎的認可。

　　不過，與以往諾貝爾獎不同的是，這次獲獎領(lǐng)域既非特別冷門的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)(如改變教科書認知的準晶體)，也非已經(jīng)深刻改變社會生活的技術(shù)(如鋰電池)。MOF材料更像是一種“平臺型科學”——它設(shè)計性強、多樣性豐富，可應(yīng)用于科研各個領(lǐng)域，已經(jīng)改變了科研圈的生態(tài)環(huán)境，并正在影響未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

　　這次諾貝爾化學獎的頒發(fā)，表明諾獎委員會開始關(guān)注那些已經(jīng)深刻改變科研生態(tài)，并有潛力在未來影響社會生活的平臺性科學。MOF作為一種可以按需設(shè)計的智能材料，其未來應(yīng)用可能遠超我們目前的想象，有望在能源、環(huán)境、電子等多個領(lǐng)域帶來技術(shù)突破，為人類面臨的諸多挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新解決方案。(中新經(jīng)緯APP)

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責任編輯：宋亞芬