什么是金屬有機(jī)框架諾貝爾獎(jiǎng)?wù)J可的“分子建筑”

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2025-10-09 11:54:59 光明網(wǎng)

瑞典皇家科學(xué)院宣布2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主時(shí)，用一句富有詩意的話總結(jié)了獲獎(jiǎng)?wù)叩呢暙I(xiàn)：“他們?yōu)榛瘜W(xué)創(chuàng)造了新空間。”這一榮譽(yù)授予了日本京都大學(xué)的北川進(jìn)、澳大利亞墨爾本大學(xué)的理查德·羅布森和美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的奧馬爾·M·亞吉。三位科學(xué)家因開發(fā)出金屬有機(jī)框架而獲獎(jiǎng)。這項(xiàng)成果不僅拓展了化學(xué)研究的邊界，也為能源、環(huán)境和材料科學(xué)帶來深遠(yuǎn)影響。

金屬有機(jī)框架是一種精巧的“分子建筑”。它由金屬離子充當(dāng)“角點(diǎn)”，通過長鏈有機(jī)碳基分子作為“梁柱”相互連接，構(gòu)成規(guī)則整齊的三維晶體結(jié)構(gòu)?？蚣軆?nèi)部布滿寬敞的空腔，氣體或液體分子可以在其中自由進(jìn)出。這種結(jié)構(gòu)可用于從沙漠空氣中提取水分、捕獲二氧化碳、儲(chǔ)存有毒氣體或催化化學(xué)反應(yīng)等。有些金屬有機(jī)框架材料具備極強(qiáng)的吸附與儲(chǔ)存能力，可容納大量氣體分子，如氫氣、甲烷或二氧化碳，因此在清潔能源儲(chǔ)運(yùn)和碳捕獲等領(lǐng)域表現(xiàn)突出。此外，這類材料在吸附或釋放氣體時(shí)會(huì)發(fā)生可逆形變，表現(xiàn)出柔性特征，能伸縮而不破壞既有框架。

金屬有機(jī)框架的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)化學(xué)的研究思路。它不僅意味著一類新材料的誕生，更代表了一種方法論的突破——化學(xué)家可以在分子層面主動(dòng)“規(guī)劃空間”，用理性設(shè)計(jì)取代以往依賴偶然發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)探索。

20世紀(jì)80年代，羅布森嘗試以一種新方式來利用原子的固有屬性。他將帶正電的銅離子與一個(gè)具有四條“臂”的有機(jī)分子結(jié)合，每個(gè)“臂”的末端都帶有能吸引銅離子的化學(xué)基團(tuán)。兩者結(jié)合后就形成一個(gè)有序且內(nèi)部空曠的晶體，宛如一座“分子宮殿”。羅布森立即意識(shí)到了這一分子結(jié)構(gòu)的潛力。但早期材料結(jié)構(gòu)脆弱，容易坍塌。1989年，羅布森在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上發(fā)表了這項(xiàng)成果并提出，這種設(shè)計(jì)思路可能為構(gòu)建具有全新特性的材料提供路徑。然而，當(dāng)時(shí)多數(shù)化學(xué)家認(rèn)為他的構(gòu)想缺乏實(shí)用價(jià)值。

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