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。
陳和生?是我國著名粒子物理學家,中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所研究員,長期致力于高能實驗物理研究。
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