如果一名房地產(chǎn)中介負(fù)責(zé)推銷分子世界的房產(chǎn)，他或許會(huì)說：“這是一間寬敞明亮、專為水分子量身定制的單身公寓。”這樣的“房子”確實(shí)存在。它們是由科學(xué)家精心設(shè)計(jì)的分子建筑——金屬有機(jī)框架（MOF）。今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予日本科學(xué)家北川進(jìn)、澳大利亞科學(xué)家理查德·羅布森和美國科學(xué)家奧馬爾·亞吉，以表彰他們?cè)贛OF材料開發(fā)方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

這種新型分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部擁有大量空腔，分子可在其中自由進(jìn)出。得益于三位科學(xué)家的工作，化學(xué)家如今已能設(shè)計(jì)出數(shù)以萬計(jì)的不同MOF，為化學(xué)領(lǐng)域帶來一連串“奇跡”。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)常始于“跳出框架”的思考。1974年，理查德·羅布森正在為課堂制作分子模型，他用木球代表原子、木棒代表化學(xué)鍵。擺弄間，他靈光一現(xiàn)：如果能像拼積木一樣，讓原子或分子依照其化學(xué)特性自行連接，能否構(gòu)建出新的“分子建筑”？直到十多年后，他終于動(dòng)手驗(yàn)證這一想法。羅布森將帶正電的銅離子與四臂分子相結(jié)合，結(jié)果這些分子像鉆石晶格一樣自組裝成規(guī)則的三維晶體結(jié)構(gòu)，不同的是，這種晶體內(nèi)部竟有大量空腔。1989年，他在《美國化學(xué)會(huì)志》上發(fā)表成果，首次提出這類分子網(wǎng)絡(luò)的潛力，預(yù)言它們將賦予材料前所未有的性質(zhì)。

此后，羅布森陸續(xù)合成出多種含空腔的分子網(wǎng)絡(luò)，并證明這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部的離子可以互換，從而讓物質(zhì)進(jìn)出。他展示了可按需設(shè)計(jì)的分子晶體，并提出這種材料可用作催化劑。盡管早期材料脆弱、易分解，被認(rèn)為“沒用”，但羅布森已打開了“分子建筑”的大門。

20世紀(jì)90年代，北川進(jìn)接過了羅布森探索的火種。他奉行的信條是：“要看到‘無用之物’的用處?！?992年，北川進(jìn)構(gòu)建出一種二維分子材料，分子之間形成可容納丙酮分子的空腔。雖然功能有限，但這代表一種全新的分子設(shè)計(jì)思維。他同樣用金屬離子作為“支點(diǎn)”，以有機(jī)分子相連。1997年，他的團(tuán)隊(duì)用鈷、鎳、鋅離子與4,4′-聯(lián)吡啶分子搭建出三維MOF結(jié)構(gòu)，形成交錯(cuò)的空腔通道。當(dāng)他們將材料中的水去除后，這些孔洞仍然穩(wěn)定，可以吸附和釋放甲烷、氧氣、氮?dú)獾葰怏w而不變形。面對(duì)“已有多孔沸石，為何還要MOF？”的質(zhì)疑，北川進(jìn)給出關(guān)鍵答案。他認(rèn)為，MOF可由多種金屬和有機(jī)分子構(gòu)建，功能可定制，并且材料柔韌，能如呼吸般吸附和釋放氣體。這一定義奠定了MOF的科學(xué)基礎(chǔ)。