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)。