拿到諾獎的“分子房間”有多神奇開啟材料學(xué)革命

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2025-10-09 08:23:05 文匯報

10月8日，日本京都大學(xué)的北川進(jìn)、澳大利亞墨爾本大學(xué)的理查德·羅布森和美國加州大學(xué)伯克利分校的奧馬爾·亞基因“金屬有機(jī)框架（MOF）研發(fā)”而共同獲獎。幾克材料的內(nèi)部表面積相當(dāng)于一個足球場，可以從沙漠空氣中提取水，還能從空氣中捕獲二氧化碳。諾貝爾化學(xué)委員會主席海納·林克表示，金屬有機(jī)框架具有巨大潛力，為開發(fā)具有新功能的定制材料帶來了前所未有的機(jī)會。

自1995年MOF概念正式提出以來，全球已有數(shù)萬個研究組投身這一領(lǐng)域，已開發(fā)出成千上萬種MOF。其應(yīng)用包括去除水體中的“永久性污染物”、分解環(huán)境中的微量藥物，在極端干旱地區(qū)從空氣中提取可飲用水等。瑞典皇家科學(xué)院指出，三位獲獎?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)“為人類應(yīng)對21世紀(jì)的重大科學(xué)與環(huán)境挑戰(zhàn)提供了新的工具”。

用通俗的話來解釋MOF，它是一種用金屬和有機(jī)分子共同搭建的“房間”，不僅“房間”大小可以精確設(shè)計，從原子尺度到幾十納米，連“房間”內(nèi)的環(huán)境“裝修”也能根據(jù)需求度身定制。當(dāng)這些房間連成一片、形成孔道，就能實現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用，比如儲氫、分離氣體，甚至精細(xì)催化。

早在上世紀(jì)五六十年代，化學(xué)家就提出了配位聚合物的概念。直到1989年，羅布森在指導(dǎo)學(xué)生做分子模型時，產(chǎn)生了靈感：能否用原子和有機(jī)分子“棒”來搭建一個類似鉆石的晶體“分子籠”？由此，他合成出了一個空間有序、寬敞且能進(jìn)行設(shè)計和修改的晶體“分子籠”。雖然這個分子結(jié)構(gòu)還不太穩(wěn)定，但北川進(jìn)和亞基在1992年至2003年間分別取得了一系列革命性發(fā)現(xiàn)，為“加固”這類分子結(jié)構(gòu)提供了堅實基礎(chǔ)。

1992年，北川進(jìn)展示了一種二維材料，空腔中可隱藏丙酮分子。盡管看起來沒啥用，卻提示了一種構(gòu)建分子的新思維方式。1997年，他的研究小組創(chuàng)制出了由開放通道交叉的三維金屬有機(jī)框架，這些材料既穩(wěn)定又有功能。

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