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[科学观察] 跨越千年的智慧:2000多年前庄子一句话,竟成就了今年的诺贝尔化学奖

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发表于 2025-9-26 15:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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北京时间今晚,瑞典皇家科学院宣布,将2025年诺贝尔化学奖授予北川进(Susumu Kitagawa)、理查德·罗布森(Richard Robson)奥马尔·亚基(Omar M. Yaghi)三位科学家,以表彰他们“发展了金属-有机框架(metal-organic frameworks)”。
简单来说,他们开创了一种全新的分子建筑学。他们创造的这些结构——金属-有机框架(简称MOFs),内部含有巨大的空腔,就像是为分子建造的微型公寓,可以让其他分子自由进出。
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图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

这个看似深奥的发现,正在催生无数奇迹般的应用:从沙漠空气中收集饮用水、从水中提取污染物、高效捕获二氧化碳、安全储存氢气……这项工作,正如诺贝尔奖的宗旨,真正地“为人类带来了巨大福祉”。
什么是MOFs?给分子造的“精装公寓”




如果房产中介来介绍MOFs,他可能会说:“这是一间专为水分子量身打造的精美一居室,空间宽敞,拎包入住!”
MOFs的本质就是一种由金属离子(作为“拐角”或“节点”)和有机分子(作为“连接杆”)搭建起来的高度有序、极其疏松的晶体材料。想象一下用乐高积木搭建一个无限延伸的立体网格,这个网格的内部是中空的,就形成了无数的“房间”。
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图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

这些“房间”的惊人之处在于,它们提供了巨大的内部表面积。仅仅几克重的MOF材料,其内表面积展开后可媲美一个足球场!这意味着它能像超级海绵一样,吸附巨量的气体或液体分子。
更神奇的是,科学家可以通过更换不同的“金属节点”和“有机连杆”,像定制家具一样,精确设计这些“房间”的大小、形状和功能,让它们专门用于识别和捕获特定的分子。
三位先驱,一场持续半个世纪的化学革命




这个诺奖故事的背后,是三位科学家跨越几十年的接力探索。
1. 灵感源头:理查德·罗布森




故事始于1974年的墨尔本大学。当时正在备课的理查德·罗布森,需要用木球和木棍为学生制作分子模型。当他看着这些按照原子成键规则打好孔的木球时,一个想法击中了他:既然原子的成键规则能自动形成正确的分子结构,那么我们能否利用分子的“自组装”特性,将它们连接成前所未有的宏伟建筑呢?
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插图说明: 理查德·罗布森受到钻石结构的启发,其中每个碳原子都以金字塔形状与其他四个碳原子相连。他没有使用碳,而是使用了铜离子和一个有四个臂的分子,每个臂的末端都有一个腈基。这是一种能被铜离子吸引的化合物。当这些物质结合时,它们形成了一个有序且非常宽敞的晶体。
图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院


这个想法在他脑中盘旋了十多年。直到1989年,他终于将其实施。他用带正电的铜离子(Cu⁺)作为节点,用一种有四条“手臂”的有机分子作为连接杆。当两者混合时,它们并没有形成一团乱麻,而是如他所料,自发地组装成一个类似钻石结构的巨大、有序且内部充满空腔的晶体。
这是MOFs领域的开山之作。罗布森预言,这种全新的材料构建方式将带来前所未有的特性。尽管他当时的作品还很“脆弱”,却点燃了化学界的星星之火。
2. 坚持不懈:  北川进




在日本近代大学,  北川进深受中国古代哲学家庄子“无用之用,方为大用”思想的影响。当别人认为罗布森的结构不稳定、没有前途时,他却看到了其中的巨大潜力。
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插图说明: 1997年,北川进成功创造了一种被开放通道贯穿的金属有机框架。这些通道可以填充不同类型的气体。该材料可以释放这些气体而结构不受影响。
图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院


在经费申请屡屡被拒的困境中,北川进没有放弃。1997年,他迎来了重大突破。他成功合成了一种稳定的三维MOF,其内部有贯通的开放通道。这种材料在被清空后结构依然稳定,并且可以可逆地吸收和释放甲烷、氮气和氧气等气体,就像一个可以呼吸的分子肺。
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插图说明:1998年,北川提出金属有机框架可以制成柔性的。现在有许多柔性MOF,它们可以改变形状,例如在填充或排空各种物质时。
图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院


更重要的是,  北川进在1998年提出了一个关键的远见:MOFs可以是柔性的。与坚硬的传统多孔材料(如沸石)不同,MOFs的有机部分可以使其具备柔韧性,在吸附或释放分子时改变形状,这极大地拓展了其应用潜力。
3. 集大成者:奥马尔·亚基




奥马尔·亚基的化学之路始于一次偷偷溜进学校图书馆的经历。15岁时,他从约旦移居美国求学,并立志要用更可控、更理性的方式创造新材料,就像搭乐高一样。
1995年,他发表了稳定的二维MOF结构,并首次创造了“金属-有机框架(metal-organic framework)”这个词。
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插图说明:1999年,亚吉构建了一种非常稳定的材料MOF-5,它具有立方空间。仅几克就能拥有一个足球场那么大的表面积。
图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院


1999年,他向世界展示了MOFs发展史上的里程碑,MOF-5。这是一种异常坚固且空间巨大的分子建筑。即使在内部完全真空的情况下,它也能承受高达300°C的高温。其巨大的内部表面积(几克就有一个足球场大)震惊了整个化学界。
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插图说明:在21世纪初,亚吉展示了生产整个MOF材料家族的可能性。他改变了分子连接体,从而产生了具有不同性质的材料。其中包括16种MOF-5的变体,具有不同尺寸的空腔。
图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院


随后,亚基证明了可以像修改蓝图一样,对MOFs进行系统性的设计和修饰,创造出一整个“MOF家族”,精确调控其孔洞大小和化学性质,为特定应用量身定制材料。
以下是几位科学家研究中关键的有机“连接杆”分子:
MOFs:正在改变未来的神奇材料
得益于三位获奖者的奠基性工作,如今已有数以万计的不同MOFs被设计和合成出来,它们的应用前景超乎想象:
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插图说明:MOF-303可以在夜间从沙漠空气中捕获水蒸气。当早晨太阳加热材料时,饮用水被释放出来。
MIL-101具有巨大的空腔。它已被用于催化污染水中原油和抗生素的分解。它也可用于储存大量的氢气或二氧化碳。
UiO-67可以从水中吸收PFAS,这使其成为水处理和去除污染物的有前途的材料。
ZIF-8已被实验性地用于从废水中开采稀土元素。
CALF-20具有非凡的吸收二氧化碳的能力。它正在加拿大的一家工厂进行测试。
NU-1501经过优化,可在常压下储存和释放氢气。氢气可用于为车辆提供动力,但在普通的高压储罐中,这种气体极易爆炸。
图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院


从空气中取水:亚基的团队已经开发出一种MOF材料(MOF-303),夜间能从亚利桑那州的沙漠空气中捕获水蒸气,白天在阳光照射下释放出纯净的饮用水。
碳捕捉:加拿大的一家工厂正在测试一种MOF(CALF-20),用于高效捕获发电过程中产生的二氧化碳,对抗全球变暖。清洁能源:研究人员正在优化MOF(如NU-1501),用于在常压下安全地储存和释放氢气,解决氢燃料汽车的储氢难题。
环境保护:特定MOFs(如UiO-67)能高效吸附水中的PFAS(一类有害的“永久性化学品”),为水净化提供了新方案。
安全防护:MOFs已被用于安全封装半导体生产所需的有毒气体,甚至可以分解化学武器中的有害成分。
从一个关于分子模型的奇思妙想,到如今能够解决全球性挑战的尖端材料,三位诺奖得主为化学世界开辟了全新的疆域。他们不仅为分子建造了“房间”,更为人类的未来建造了无限可能。
2025年诺贝尔化学奖得主简介

北川进 (SUSUMU KITAGAWA)
1951年出生于日本京都。1979年获得日本京都大学博士学位。日本京都大学教授。

理查德·罗布森 (RICHARD ROBSON)
1937年出生于英国格拉斯伯恩。1962年获得英国牛津大学博士学位。澳大利亚墨尔本大学教授。

奥马尔·M·亚吉 (OMAR M. YAGHI)
1965年出生于约旦安曼。1990年获得美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士学位。美国加州大学伯克利分校教授。



参考
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2025/popular-information/
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发表于 2025-9-29 17:16 | 显示全部楼层
你们是吃不到葡萄?只有说它特酸。
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发表于 2025-9-29 18:30 | 显示全部楼层
那玩意儿不提也罢。
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发表于 2025-9-29 18:41 | 显示全部楼层
殘雪是谁?是中国人吗?
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发表于 2025-9-29 21:29 | 显示全部楼层
奇怪,右边的红星无意中点的,想去掉就越点越多了。反正那些作品从未看到过,所以就一眼带过,以后如有介绍时看作品吧!
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发表于 2025-9-29 23:05 | 显示全部楼层
那个岛国人不陪跑了??
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发表于 2025-10-8 15:01 | 显示全部楼层
盲猜阿多尼斯,不为什么,因为必须要加印!
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发表于 2025-10-8 15:50 | 显示全部楼层
还是看看和平奖 的赔率与榜单吧~
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发表于 2025-10-8 17:02 | 显示全部楼层
老莫呢?
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发表于 2025-10-8 17:07 | 显示全部楼层
感觉今年树上春树很有希望。。。
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