如果一名房地产中介负责推销分子世界的房产，他或许会说：“这是一间宽敞明亮、专为水分子量身定制的单身公寓。”这样的“房子”确实存在。它们是由科学家精心设计的分子建筑——金属有机框架（MOF）。
10月8日，2025诺贝尔化学奖揭晓！京都大学北川进（Susumu Kitagawa）教授、墨尔本大学Richard Robson教授以及加州大学伯克利分校的Omar Yaghi教授因开创了金属有机骨架（MOF）的全新领域，摘得诺贝尔化学奖桂冠。
框架化学的诞生
Omar Yaghi于1965年出生于约旦，在伊利诺伊大学香槟分校获得化学博士学位后，他在哈佛大学担任博士后，随后在亚利桑那州立大学开始了独立的学术生涯。在这里，他开始构思、发展出其最重要的学术成就——将分子通过强键结合在一起，形成大的“框架”。框架化学（Reticular Chemistry）的概念由此诞生。
传统的化学关注的往往是分子间的连接，尤其是当两个原子共享电子时形成的强共价键。相反，超分子化学涉及的是分子之间的连接与相互作用。超分子化学最初局限于较弱的连接，例如我们熟悉的氢键和范德华力。
而框架化学的出现改变了这一局面，这时分子之间可以存在强共价键框架，框架化学创建的超分子结构使得分子间具有前所未有的化学和结构强度。每一个框架都可以被看作是一个分子，正如分子决定了每个原子的特定几何形状与空间排列，框架也决定了其中每个分子的形态与排列。由于这些框架包含的体积更大，因此其化学性质远比组成该框架的分子丰富，从而具有独特的性质。
框架化学独特的性质推动了一系列新型材料的开发，其具有非常大表面积的高孔隙率结构，能够高效地储存被“困”在孔隙中的各种材料，如同是分子尺度上的晶体海绵，具有极强的吸附能力。
基于框架化学，Yaghi教授先后开发并发展了两类全新的化合物，分别是金属有机骨架（MOF）和共价有机骨架（COF）。COF由有机材料形成，而MOF结合了有机与无机材料，兼具无机材料的刚性与有机材料的柔性特征。这类材料以金属离子或金属簇作为无机部分，桥联的有机配体通过自组装相互连接，由此形成周期性的网络结构。在这种情况下，金属材料相当于是“锚”，被捕获的分子会粘附在“锚”上；而有机化合物是将其连接形成多孔结构的“骨架”。
值得一提的是，在Yaghi教授开发MOF材料的过程中，当时同样任职于亚利桑那州立大学的Michael O'Keeffe教授也作出了重要贡献。当时，年轻的Yaghi教授向O'Keeffe教授展示了早期的MOF——MOF-2和MOF-3的结构。O’Keeffe教授最初的反应是：“原子实在是太多了。”那时的MOF材料不稳定，并且孔隙率有限。
此后，两位科学家合作，在《自然》杂志上发表了标志性的MOF-5。该材料具有前所未有的表面积、孔隙率和稳定性，基于MOF-5的复合材料在现代化学中具有广泛的应用。
伴随着新策略的出现，新材料呈指数级不断涌现，这些新材料在化学上具有以往未知的多样性。根据Yaghi教授的介绍，如果将1克MOF材料展开成单个原子尺度的薄片，其能够延伸至相当于60个网球场的大小。这类材料的孔隙可以非常高效地捕获并储存空气中的二氧化碳，帮助减缓全球变暖的趋势。由于多孔特性可以将捕获的气体压缩至很小的体积，因此在气体储存及分离、清洁水的生产及输送中具有重要的应用价值。此外，这种多孔结构还可用于催化、能源及医药领域。
“当我还是学生的时候，制造新材料往往是简单地将不同物质混合在一起，最后得到的是大自然给你的东西，所以我们对产物没有太多的控制能力。但我意识到，如果能像组装汽车零部件一样组装出化学结构，一定会有很大的潜力。我的梦想是能够以这种简单、合理的方式制造新材料，掌握对合成产物的控制能力，并能够在合成后进行调整、修改，这将是非常强大的功能。”Yaghi教授表示。
北川进教授与Robson教授的故事
北川进于1951年出生，在京都大学获得化学博士学位后，在近畿大学任职。1998年北川进教授成为京都大学无机化学教授。
北川进教授通过气体吸附实验发现并证实了金属复合物的孔隙率，是MOF领域的重要开拓者。其开创了MOF的功能化学，发现了不同于传统多孔材料的柔性MOF。北川进教授的成果为多孔材料的新时代开辟了道路，对于解决能源和环境问题至关重要。他与其他科学家的发现有望在材料科学领域带来根本性创新，对学术界和工业界产生广泛影响。
1997年，北川进教授成功制造出具有开放通道贯穿结构的金属有机框架。
1992年，北川进构建出一种二维分子材料，分子之间形成可容纳丙酮分子的空腔。虽然功能有限，但这代表一种全新的分子设计思维。他同样用金属离子作为“支点”，以有机分子相连。
1997年，他的团队用钴、镍、锌离子与4,4′-联吡啶分子搭建出三维MOF结构，形成交错的空腔通道。当他们将材料中的水去除后，这些孔洞仍然稳定，可以吸附和释放甲烷、氧气、氮气等气体而不变形。
面对“已有多孔沸石，为何还要MOF？”的质疑，北川进给出关键答案。他认为，MOF可由多种金属和有机分子构建，功能可定制，并且材料柔韧，能如呼吸般吸附和释放气体。这一定义奠定了MOF的科学基础。
另一位获奖者Richard Robson教授的故事始于1989年，当时他尝试以全新方式利用原子的固有特性。他将带正电荷的铜离子与一种四臂分子结合——每个分子臂末端都具有易与铜离子结合的化学基团。当两者结合时，它们形成了结构有序、空间开阔的晶体。这就像一颗布满无数腔体的钻石。Robson教授立刻意识到这种分子构造的潜力，但其结构不稳定且易坍塌。
Robson教授立刻意识到这种分子构造的潜力，但其结构不稳定且易坍塌。此后，北川进教授和Omar Yaghi教授为这种构建方法奠定了坚实基础：在1992至2003年间，他们分别取得了一系列突破性发现。北川进教授证明了气体可在结构中自由进出，并预言MOF材料可具备柔韧性；Yaghi教授则创制出高度稳定的MOF材料，并通过理性设计实现结构修饰，赋予其崭新的理想特性。
Richard Robson教授的灵感源自钻石结构——其中每个碳原子都与另外四个碳原子相连，类似金字塔形态。
奥马尔·亚吉：为分子积木命名并赋予力量
在大洋彼岸，奥马尔·亚吉延续并拓展了这一理念。1995年，亚吉正式提出“金属有机框架（MOF）”这一名称，定义了这种由金属节点和有机配体组成、具有规则空腔的晶体结构。
1999年，亚吉构建了一种非常稳定的材料——MOF-5，它具有立方体结构。
随后，他于1999年研发出MOF-5，这是一种极其稳定且空间巨大的框架结构，即使在300℃高温下也不会坍塌。最令人震惊的是其内部表面积：几克MOF-5的内部总面积相当于一个足球场，远超传统沸石。这意味着它能吸附更多气体。
亚吉的团队继续扩展MOF家族，创造出十几种变体，用以储存甲烷、捕获二氧化碳，甚至在沙漠中利用MOF创造了“空中取水”的奇迹：夜晚材料吸附空气中的水汽，白天经太阳加热后释放出液态水，为干旱地区提供取水新途径。
MOF-303可以在夜间捕获沙漠空气中的水蒸气。当早晨太阳加热该材料时，便会释放出可供饮用的水。
如今，科学家已设计出数以万计的MOF，它们被用于碳捕集、空气净化、药物递送、能源存储等众多前沿领域。甚至在半导体制造中，也有MOF被用于捕捉或分解剧毒气体。
一些科学家认为，MOF潜力巨大，有望成为“21世纪的材料”。无论未来如何，通过MOF的开发，三位科学家为我们提供了解决能源、环境与健康等重大问题的新途径，而这正契合了诺贝尔遗嘱中“造福人类”的精神。今日三位教授所斩获的诺贝尔化学奖，可谓是实至名归！这也是对他们学术及产业贡献的极佳认可。
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