如果一名房地產(chǎn)中介負責推銷分子世界的房產(chǎn)，他或許會說：“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”確實存在。它們是由科學家精心設(shè)計的分子建筑——金屬有機框架（MOF）。今年，諾貝爾化學獎授予日本科學家北川進、澳大利亞科學家理查德·羅布森和美國科學家奧馬爾·亞吉，以表彰他們在MOF材料開發(fā)方面的開創(chuàng)性貢獻。

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出。得益于三位科學家的工作，化學家如今已能設(shè)計出數(shù)以萬計的不同MOF，為化學領(lǐng)域帶來一連串“奇跡”。

科學發(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，他終于動手驗證這一想法。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《美國化學會志》上發(fā)表成果，首次提出這類分子網(wǎng)絡(luò)的潛力，預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)進出。他展示了可按需設(shè)計的分子晶體，并提出這種材料可用作催化劑。盡管早期材料脆弱、易分解，被認為“沒用”，但羅布森已打開了“分子建筑”的大門。

20世紀90年代，北川進接過了羅布森探索的火種。1992年，北川進構(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)計思維。他同樣用金屬離子作為“支點”，以有機分子相連。1997年，他的團隊用鈷、鎳、鋅離子與4,4′-聯(lián)吡啶分子搭建出三維MOF結(jié)構(gòu)，形成交錯的空腔通道。當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、氮氣等氣體而不變形。面對“已有多孔沸石，為何還要MOF？”的質(zhì)疑，北川進給出關(guān)鍵答案。他認為，MOF可由多種金屬和有機分子構(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的科學基礎(chǔ)。

在大洋彼岸，奧馬爾·亞吉延續(xù)并拓展了這一理念。1995年，亞吉正式提出“金屬有機框架（MOF）”這一名稱，定義了這種由金屬節(jié)點和有機配體組成、具有規(guī)則空腔的晶體結(jié)構(gòu)。1999年，亞吉研發(fā)出MOF-5，這是一種極其穩(wěn)定且空間巨大的框架結(jié)構(gòu)，即使在300℃高溫下也不會坍塌。最令人震驚的是其內(nèi)部表面積：幾克MOF-5的內(nèi)部總面積相當于一個足球場，遠超傳統(tǒng)沸石。這意味著它能吸附更多氣體。亞吉的團隊繼續(xù)擴展MOF家族，創(chuàng)造出十幾種變體，用以儲存甲烷、捕獲二氧化碳，甚至在沙漠中利用MOF創(chuàng)造了“空中取水”的奇跡：夜晚材料吸附空氣中的水汽，白天經(jīng)太陽加熱后釋放出液態(tài)水，為干旱地區(qū)提供取水新途徑。

如今，科學家已設(shè)計出數(shù)以萬計的MOF，它們被用于碳捕集、空氣凈化、藥物遞送、能源存儲等眾多前沿領(lǐng)域。甚至在半導體制造中，也有MOF被用于捕捉或分解劇毒氣體。一些科學家認為，MOF潛力巨大，有望成為“21世紀的材料”。無論未來如何，通過MOF的開發(fā)，三位科學家為我們提供了解決能源、環(huán)境與健康等重大問題的新途徑，而這正契合了諾貝爾遺囑中“造福人類”的精神。