科普| 為分子造房屋：三位分子建筑師與金屬有機框架材料（MOFs）的誕生

編者語：

“金屬有機框架（MOFs）已經拿下諾獎，生物質、光催化、單原子、COF呢？”

01

引言

2025年諾貝爾化學獎授予了三位開創性的科學家：Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi。他們的獲獎理由是“開發了金屬有機框架材料”。這項被譽為“為分子造屋”的突破性技術，不僅重新定義了化學合成的邊界，更為我們面臨的一系列全球性挑戰——從水資源短缺到環境污染——提供了極具潛力的解決方案。

02

靈感萌芽：從木球模型到分子建筑藍圖

任何偉大的科學革命往往始于一個簡單的洞察。1974年，在澳大利亞墨爾本大學，Richard Robson教授在為學生準備分子模型時，需要在一批木球上鉆孔以插入代表化學鍵的木棍。他意識到，孔洞的位置并非隨意，而是嚴格遵循著每個原子固有的成鍵規律。正是這些“孔洞信息”決定了分子最終的三維結構。

這一發現引發了一個更宏大的設想：能否利用原子這種內在的“連接傾向”，不是去連接單個原子，而是去連接更復雜的分子“構件”，從而搭建出全新的、宏觀的分子建筑？這個想法在他腦海中縈繞了十余年，最終在1989年結出碩果。受金剛石中每個碳原子連接四個其他原子的金字塔形結構啟發，Robson使用帶正電的銅離子（Cu?）作為“節點”，與一個擁有四個腈基“手臂”的有機分子“連接體”進行組裝。

圖1. 基于CuⅠ和4’,4″,4?,4?-四氰基四苯基甲烷)的3D菱形骨架

結果出乎當時大多數化學家的預料，這些組件并沒有混亂地堆砌，而是基于相互間的精確吸引力，自發地排列成一個有序的、具有規則空腔的晶體結構。這標志著第一個金屬有機框架的雛形誕生（J. Am. Chem. Soc., 1989, 111, 5962-5964; J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 1546-1554.）。Robson在他的開創性論文中預言，這種理性設計材料的方法，將能夠創造出具有前所未有性能的新物質。他不僅展示了結構，還證明了物質可以在這些空腔中流入和流出，為后續的功能應用奠定了最初的理論與實踐基礎。

03

堅韌求索：“無用之用”與穩定性突破

Robson的構想雖然美妙，但其早期材料穩定性不佳，容易被破壞，使得許多同行對其實際用途持懷疑態度。正是在這個充滿不確定性的領域，日本的Susumu Kitagawa教授展現了非凡的遠見。他信奉中國古代哲學家莊子的“無用之用”，認為即使眼前看不到直接效益的探索，也可能蘊含深遠價值。

盡管研究資助機構普遍不看好這種“不穩定且無目的”的材料，Kitagawa仍堅持不輟。1997年，他的團隊取得了關鍵突破，利用鈷、鎳或鋅離子與有機分子4,4’-聯吡啶，成功構建了第一個穩定的、具有三維開放通道的MOF（Angew. Chem. Int. Ed.，1997, 36, 1725-1727.）。即使將其中的水分子完全移除，框架依然保持穩定，并且能夠可逆地吸附甲烷、氮氣等氣體。這一成果證明了MOF可以像沸石一樣堅固且功能化，但潛力遠不止于此。

圖2. 基于CoⅡ、4,4'-聯吡啶和硝酸鹽的“榫槽”結構

為了明確MOF的獨特價值，Kitagawa在1998年進一步提出了其核心優勢：MOFs的構成單元（金屬節點和有機連接體）幾乎可以無限組合，這意味著其孔洞大小、形狀和化學環境能夠進行“精準定制”。更重要的是，他前瞻性地提出了“柔性MOF”的概念——這些材料的建筑單元本身具有一定柔性（Bull. Chem. Soc. Jpn., 1998, 71, 1739-1753.），使得整個框架能夠像肺部呼吸一樣，在吸附或釋放分子時發生可逆的形變，從而實現對特定分子的智能識別與響應。

圖3. 靈活的框架可根據客人的增加/移除或受到刺激而發生結構變化

04

登峰造極：命名的確立與性能的飛躍

當Kitagawa在東半球深化MOF的內在與功能時，Omar Yaghi在西半球正致力于將其系統化并推向極致。Yaghi的童年充滿挑戰，在約旦安曼的艱苦環境中，一次偶然的圖書館經歷讓他被化學分子結構圖深深吸引，最終走上化學研究之路。他對傳統化學合成中副產物多、不可控性強的現狀感到不滿，立志像搭樂高積木一樣，通過理性設計來構建晶體材料。

1995年，他的團隊成功合成了由銅或鈷離子支撐的二維網狀結構，其中一種材料即使孔洞被客分子填滿，也能承受350 °C的高溫而不坍塌（Nature, 1995, 378, 703-706.）。在這篇發表于《Nature》雜志的論文中，他首次正式提出了“金屬有機框架”這一術語，該名稱沿用至今，成為了這一領域的旗幟。

圖4. CoC6H3(COOH1/3)3(NC5H5)2·2/3NC5H5

1999年，Yaghi帶來了更令人驚嘆的杰作——MOF-5（Nature, 1999, 402, 276-279.）。這是一種結構極其穩定、內部空間巨大的立方體框架。其最引人注目的特性在于“比表面積”：僅僅一茶匙的MOF-5材料，其內部表面積展開后足以覆蓋一個足球場。這一空前的特性使得MOF在氣體儲存方面展現出巨大潛力，其性能遠超傳統的多孔材料如沸石。

圖5. 標志性框架MOF-5（Zn4O(BDC)3），表示二級構建單元（左）和大腔體（黃色，右）

在21世紀初，他通過系統性地改變有機連接體的長度和結構，成功制備出包括16種變體在內的MOF-5“家族”，實現了對孔洞尺寸的精準調控（Science, 2002, 295, 469-472.）。這標志著MOF從個別材料的發現，進入了可以按需設計的“材料基因組”時代。他的團隊更是將MOF應用于解決現實問題，例如使用名為MOF-303的材料，通過在夜間從沙漠空氣中捕獲水蒸氣、在日間利用陽光加熱釋放的方式，成功“從空氣中取水”，展示了其改變人類生活的直接能力。

圖6. 具有相同pcu拓撲/網絡和相同SBU，但具有不同連接子和腔體體積的同網狀框架

05

改變世界：MOFs的應用與未來展望

在三位獲獎者奠定的堅實基礎上，全球研究人員已開發出數萬種功能各異的MOF，形成了一個巨大的“分子工具包”。其應用觸角已延伸至眾多關鍵領域：

（1）環境修復：CALF-20正于加拿大進行中試，用于捕獲工廠排放的二氧化碳；UIO-67能高效吸附水體中的永久性污染物PFAS；ZIF-8可用于從廢水中回收稀土元素。

（2）能源與安全：NU-1501能在常壓下安全地儲存和釋放氫能，解決了高壓儲氫的爆炸風險；某些MOF能安全封裝半導體制造所需的劇毒氣體，或分解類似化學武器的有毒物質。

（3）民生與健康：除了空氣取水，MIL-101等MOF能催化降解水中的原油和抗生素污染物，也有望用于藥物的靶向輸送。

圖7. 骨架結構示例：MOF-303已用于從低濕度空氣中吸附水分； MIL-101具有大空腔，已用于催化以及H2和CO2的儲存；UiO-67已用于從水中吸收PFAS；ZIF-8已評估用于從廢水中開采稀土金屬；CALF-20可以捕獲CO2；NU-1501已被開發用于儲存H2。

（Sci. Adv., 2018, 4, eaat3198; Science, 2005, 309, 2040-2042; Chem. Commun., 2008, 35, 4192-4194; Mater. Adv., 2021, 2, 7308-7335; J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 13850-13851; Mater. Lett., 2019, 250, 92-95; Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 1557-1559; Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2006, 103, 10186-10191; Microporous Mesoporous Mater., 2019, 278, 175-184; Science, 2020, 368, 297-303.）

截至2025年，已有超過5000家機構活躍在這一賽道，繪制出一幅覆蓋40多個品類的廣闊應用藍圖。更深刻的變革在于生產端，企業通過創新的無溶劑合成路徑，實現了千噸級的規模化生產，使成本下降高達80%，為MOF的大規模普及掃清了最大障礙。

06

結語

Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar Yaghi三位教授的工作，將化學從傳統的分子創造，推進到了宏觀分子空間的構筑與功能定制。他們教會我們如何利用分子的內在規律，為其建造精密的“房屋”和“倉庫”。這些結構多樣、功能強大的多孔材料，正為人類帶來“最大的利益”。

本文二創自諾獎官網（www.nobelprize.org）文件：

Popular science background: They have created new rooms for chemistry
Scientific background to the Nobel Prize in Chemistry 2025

MOFs材料發展史

漂亮的MOFs材料圖

聲明：

1. 版權：推送內容僅供學習交流分享使用，無任何商業用途，如有侵權，請聯系后臺刪除或修改，感謝支持。

2. 投稿：非常歡迎各位老師在公眾號上介紹課題組前沿或經典研究成果！后臺或郵箱聯系即可！