10月8日，瑞典皇家科學(xué)院宣布2025年諾貝爾化學(xué)獎被授予Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi，以表彰他們在金屬有機框架開發(fā)領(lǐng)域作出的貢獻。

此前，獲獎?wù)咧籓mar M. Yaghi曾在WE大會上分享自己的科研之旅。他為大家介紹了金屬有機框架（MOF）等目前已知的多孔性最強的新材料，以及探索從空氣中獲取飲用水資源等技術(shù)的過程。以下內(nèi)容來源于騰訊科學(xué)WE大會。

奧馬爾·亞基

奧馬爾·亞基演講全文：

首先我想講一個故事。我出生在約旦首都安曼。10歲那年，有一天在學(xué)校午飯時間，圖書館在這個時間本來應(yīng)該是關(guān)閉的，可我擰了一下門把手，發(fā)現(xiàn)門竟然沒鎖。然后我就進去了，而我看到的東西改變了我的一生。我看到了分子示意圖，而我也是后來才知道它們是分子，從此我就愛上了分子。

我對學(xué)習(xí)一直熱情滿滿，并且專注于這些分子，但我并沒有想到有一天分子研究成了我一生的工作。后來我們發(fā)明了最大規(guī)模的（框架）材料，這種全新的化學(xué)材料有望解決全球氣候問題。

今天我想和大家分享我的科研之旅，這一全新的化學(xué)領(lǐng)域叫做

“網(wǎng)狀化學(xué)”

?！癛eticular”（框架/網(wǎng)狀）是一個拉丁詞語，意思是“網(wǎng)”或“網(wǎng)狀的”，框架材料都是網(wǎng)格化的結(jié)構(gòu)。

我想講一下這種特殊的化學(xué)材料如何能夠解決氣候問題。但首先我想說一些嚴(yán)峻的事實，我們的地球正在“大聲呼救”，世界各地的情況都可以證明這一點。澳大利亞大堡礁一半的珊瑚礁都消亡或褪色了，由于海水升溫，那里的珊瑚礁可能要100年才能恢復(fù)。

我們來看這張圖。紫色部分表示每年天氣事件的數(shù)量較過去更為嚴(yán)重。我想大家對此并不陌生，當(dāng)下我們正在經(jīng)歷更惡劣的天氣。無論是海水升溫、地面高溫，還是山火肆虐都越發(fā)頻繁?，F(xiàn)在氣候問題已然迫在眉睫，直接影響著我們的生活和家園，以及全球人類的生計，尤其是糧食生產(chǎn)。

這是另一個令我尤其擔(dān)憂的天氣災(zāi)害：馬里布是美國最美的城市之一，我的家就離這里不遠(yuǎn)，但那里發(fā)生了山火。2022年加州山火的過火面積達到430萬公頃，并且山火發(fā)生頻率是過去均值的數(shù)倍。這讓我非常擔(dān)憂。

我曾經(jīng)住在亞利桑那州，第一份正式工作就始于這里。那里的胡佛大壩是北美最大的水壩。大家可以看到，自1983年到現(xiàn)在，胡佛大壩的水位已經(jīng)降到危險的低水平。胡佛大壩供應(yīng)著1600萬人的生活用水，那里的人們未來將去哪里尋找新的水源？

還有另一件令人關(guān)切的問題，也能證明水資源危機的存在。全球三分之一的地方都在面臨水供給危機。聯(lián)合國預(yù)計到2040年，全球五六十億人口都將面臨每年至少3個月的水供給短缺。這讓人很擔(dān)憂，不是嗎？尤其是年輕人正在大力呼吁亟需改變當(dāng)前的局面。

但也有好消息。我說這些的目的并不是讓大家沮喪，而是讓大家看到這些問題是真實存在的，我會與大家分享我們的解決方案。

說到解決方案，首先我們要了解問題的原因，然后采取措施去應(yīng)對。而這個原因就是這兩種小分子，就我們所知它們是目前已知最小的一些分子。

一個是二氧化碳?，F(xiàn)在向大氣排放的二氧化碳超出過往，這也導(dǎo)致了氣候變化和水資源危機，也許我們能通過從空氣中取水來解決這個問題。解決氣候問題和水資源問題的難點在于，如何將空氣中或電廠煙道氣中的二氧化碳分離出來。這意味著我們要從多種物質(zhì)中只分離出一種物質(zhì)來。

空氣中含有氮氣、氧氣、水和其它分子，它們的含量與二氧化碳的含量不同。那么我們?nèi)绾螐目諝庵兄惶崛〕龆趸蓟蛩肿幽?？這是難點所在。而化學(xué)元素周期表可以賦予我們答案。

我們的方法是，將分子重新連接在一起組合成新的材料。

我來舉個例子。我們選用的材料都是常見材料，包括有機材料和無機材料。

這里展示的是塑料遮陽材料的組成部分，將這些組成部分重新結(jié)合制成全新的材料，也就是

金屬有機框架材料（MOFs）

。這就是它的化學(xué)結(jié)構(gòu)。有機結(jié)構(gòu)作為支撐無機結(jié)構(gòu)起到連接作用，從而制成金屬有機框架。藍(lán)色的是金屬氧化物，最左邊的材料是有機支撐結(jié)構(gòu)。黃色的球是內(nèi)部空間，這個空間可以鎖住二氧化碳或水分子。

真正的突破在于我們不僅可以制造這種材料，還可以在原子和分子上對其進行改造。

我們與他人合作，在20世紀(jì)90年代中期發(fā)現(xiàn)了金屬有機框架，并且制造了幾十萬種金屬有機框架材料，通過我們開發(fā)的化學(xué)方法制成了這樣的材料。

接下來展示給大家看到的是其中一種MOF。它們是像小鉆石一樣的微型晶體。我們放大其中一個晶體，你可以肉眼看到它們。如果放大到分子級別來觀察，你會看到晶體內(nèi)部是框架式的結(jié)構(gòu)。這是一種非常開放式的框架結(jié)構(gòu)，能夠讓氣體填滿內(nèi)部的空間，然后將氣體壓縮進材料的孔隙中。氣體分子粘在內(nèi)部的孔隙中，比分子彼此粘在一起要更有優(yōu)勢。我們可以把氣體壓縮進這些材料的孔隙中。

我來給大家展示一下。請看這個正在旋轉(zhuǎn)的金屬有機框架，你所看到的每個部分都是一個吸附點，那些灰色的原子和粉色的原子都是吸附點。這就意味著我們可以量身打造能夠從空氣中分離出二氧化碳、水或其它物質(zhì)的材料，這取決于調(diào)整改造材料中的孔隙。

1克這樣的材料，大小不超過這個圓圈。但1克這樣的材料攤開的表面積可以覆蓋一個足球場，可以達到6400平方米，而你的家可能也就100多平方米。這就是框架化學(xué)的力量。

接下來我講一下它的應(yīng)用價值。

通過多年的研究，我們成功開發(fā)了金屬有機框架，就是屏幕上正在旋轉(zhuǎn)的這個結(jié)構(gòu)體。我們來看它內(nèi)部的孔隙，這些小的集群有一個綠色的“頭”，我們把它叫做“初級胺”（ primary amines），通過將分子構(gòu)造進孔隙中，就可以收集空氣或電廠煙道氣中的二氧化碳，而且只收集二氧化碳。

我們來看一下效果。如圖所示，空氣中的二氧化碳含量約為400ppm，當(dāng)空氣通過MOFs時，二氧化碳就被吸附住了。過濾后的氣體中二氧化碳含量低于2ppm，幾乎可以忽略不計。因此MOFs是有效的。從空氣中分離吸附二氧化碳的技術(shù)問題解決了，剩下的就是工程設(shè)計和商業(yè)化了。

我們來看另一個例子。這是電廠排放的煙道氣，二氧化碳含量為15%。在實際應(yīng)用中，該材料可以將氣流中的二氧化碳濃度降低至小于2%，MOFs就可以實現(xiàn)這一點。這就是希望所在。

我們實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)中的每個模塊都按需設(shè)計，這是化學(xué)領(lǐng)域前所未有的重大突破，所以“網(wǎng)狀化學(xué)”改寫了歷史。

它非常適用于從空氣和煙道氣中捕捉二氧化碳，我們已經(jīng)無限接近于按需優(yōu)化材料。這是第一代的金屬框架材料，而我們開發(fā)的第二代材料實現(xiàn)了進一步的優(yōu)化和商業(yè)化?，F(xiàn)在我們實現(xiàn)了在水泥廠捕捉二氧化碳。要知道工業(yè)領(lǐng)域近三分之一的二氧化碳排放就來自于水泥廠，而現(xiàn)在MOFs在水泥廠捕捉二氧化碳已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化。德國的巴斯夫公司已將數(shù)噸的MOFs材料用于從水泥廠收集二氧化碳，這讓我們看到了減少二氧化碳逆轉(zhuǎn)氣候變化的希望。

接下來我想說說從空氣中取水，我也想通過一個例子加以說明。

我在約旦生活的童年時期，日常工作之一是確定水何時供應(yīng)。家里每2周只有5小時的供水，而我的任務(wù)就是早早起床打開水龍頭，在5小時內(nèi)盡可能多地裝滿容器。因為未來2周的生活用水都靠這5小時供應(yīng)。如果提前用完了，就只能尋找其它水源。我真切地體會過生活在干旱缺水的地方是怎樣的感受。

我們看這里。地圖上紅色的區(qū)域是空氣濕度很低的地方，也就是干旱地區(qū)。當(dāng)?shù)氐乃Y源壓力很大。藍(lán)色的區(qū)域空氣濕度高且水資源豐富，但很多這樣的地區(qū)的水并不是清潔的水。那么我們是否能設(shè)計出一種材料，可以在濕度很低的地區(qū)的空氣中收集水分。MOFs就可以做到，我們的愿景是在世界的任何地方都能實現(xiàn)隨時隨地從空氣中收集水。

有人會說空氣是很干燥的（含水量很?。?，但事實上空氣中的含水量非常多，能達到接近1.3萬立方千米的水。如果為地球上每個人每天提供50升水，那也只是空氣中含水量的不到1%，而且是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到1%。也就是說，空氣中含有大量的水，而問題在于如何收集空氣中的水，并將其變?yōu)榭娠嬘玫乃?。從空氣中收集水的難點是什么？

這是一張濕度圖?？v軸是空氣中的水蒸氣含量，橫軸是氣溫。濕度曲線從10%、20%一直到100%。如果濕度是100%，那就是液化水。

假如我在一座地中海邊的城市，比如西班牙的格拉納達。假設(shè)那里氣溫30度、濕度20%，要從這樣的空氣中提取水，那么需要將溫度降至“b”點，也就是4攝氏度。這樣的制冷方式從經(jīng)濟角度看并不可行。但如果我在“a”點的條件下使用MOFs，從空氣中取水并將水注入材料的孔隙中，然后通過加熱取出水之后再進行凝結(jié)，這樣就能將沙漠空氣“變?yōu)椤睙釒Э諝狻＿@就是我們一直研究的思路。

水如何進入MOF？這段視頻可以給我們答案。這是MOF中的一個孔隙，我們將它切成兩半，可以看到紅色的水首先會進入親水區(qū)，將親水區(qū)填滿。然后親水區(qū)內(nèi)的水會連成一體。此時在MOF內(nèi)部，在孔隙流動的水分子，親水區(qū)內(nèi)的水分子，在溫和條件下相互吸引和排斥可以將水移走。因此這個系統(tǒng)不需要太多能源來驅(qū)動。

這是我們在沙漠中測試的第一代實驗裝置。我們在實驗室中已經(jīng)做過了各種研究和實驗，我們把1公斤的MOFs放進這個小盒子里，晚上再把這個小盒子放進一個更大的盒子里。我們讓空氣穿過MOFs，通過這種材料來提取水。白天的時候關(guān)閉那個更大的盒子，隨著陽光讓內(nèi)部升溫，水就出來了，然后冷凝，最后成功獲得液態(tài)水。我的學(xué)生們在亞利桑那州的沙漠中進行了實驗，收集到的水非常純凈，是你能找到的最純凈的水。

這臺裝置是電動的實驗原型，這是我們的第一個原型裝置，大盒子套小盒子。從空氣中收集水，除了需要陽光外，不需要任何能源輸入。

第二臺裝置配有巴赫音樂。每200克MOFs每天可收集5升水，而這臺裝置的大小不超過一個家用微波爐，并且最后獲得的水是非常純凈的。這意味著我們可以掌控水，可以實現(xiàn)水供給自足了。MOFs可以持續(xù)使用5年以上，無需更換，也無需補充。達到工作年限后，我們可以將材料分解成原始的組成部分，再重新組裝，實現(xiàn)了零廢物排放。

基于這些研究和實驗結(jié)果，這些設(shè)備可以在沙漠中實際應(yīng)用了。我們來看看效果。這是世界上最干燥的沙漠，在全年最干燥的8月份，每公斤MOF每天可以收集7升水。

那么其它地方呢？這是北美最干燥的莫哈韋沙漠，這是中國蘭州，然后還有阿富汗首都喀布爾和沙特首都利雅得，每公斤MOF每天可以收集接近35升水。

這種材料可以使用5年以上，可以在全球任何地方隨時隨地從空氣中取水。

那么現(xiàn)在讓我告訴你化學(xué)到底可以多強大。

MOFs已經(jīng)表現(xiàn)出非常強大，但我們還是想提高它的取水能力，想讓人們獲得更多的水?；谖覀冮_發(fā)的化學(xué)方法，我們可以進一步優(yōu)化分子連接。就像外科手術(shù)一樣，只需要添加兩個碳原子就可以。加入兩個碳原子后，MOFs的取水能力可以提高50%，因為孔隙變得更大了。無需大幅的改動，無需改變剛才講到的吸附點，并且釋放水所需的能源更少。

這意味著什么？意味著對于從空氣中取水，如果只使用太陽能來驅(qū)動裝置，每噸MOF每天可收集2250升水，并且5年無需更換材料。如果使用電動裝置，每噸MOF每天可收集2.5萬升水。

這是實實在在的進步，意味著無論在干旱地區(qū)，還是在水資源充足但水質(zhì)不好的地區(qū)，我們都為當(dāng)?shù)厝藥砹讼Ｍ?/p>

但這還不是全部。

如果掌握了如何在分子和原子級別上精確地設(shè)計材料，那么應(yīng)用的可能性將是無限的。

現(xiàn)在全球100多個國家都在研究MOFs，也在研究其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，包括生物醫(yī)學(xué)、清潔能源、清潔水和空氣凈化等。

這就是我的經(jīng)歷。我的化學(xué)科研始于小時候?qū)Ψ肿拥臒釔邸Ｋ栽谏蠈W(xué)時不要壓抑對某種東西的熱愛，只要有興趣就可以了，不一定非要立志解決什么問題，熱情飽滿就好。保持你的激情，然后去解決理論問題，最后創(chuàng)造出能夠?qū)崿F(xiàn)各種應(yīng)用的東西。

這就是我的故事。

謝謝！