諾貝爾化學獎揭曉：金屬有機框架有啥用？
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▲2025年諾貝爾化學獎授予北川進、學獎理查德·羅布森以及奧馬爾·M·亞吉。揭曉金屬圖/諾貝爾獎委員會官網據央視新聞消息，有機有啥用當地時間10月8日，框架瑞典皇家科學院決定將2025年諾貝爾化學獎授予北川進（Susumu Kitagawa）、諾貝理查德·羅布森（Richard Robson）以及奧馬爾·M·亞吉（Omar M. Yaghi）三位科學家，爾化以表彰其在金屬有機框架開發領域的學獎貢獻。
總體而言，揭曉金屬三位獲獎者創造了具有大空間的有機有啥用分子結構，氣體和其他化學物質可以通過這些空間。框架這些結構就是諾貝金屬有機框架（MOFs），可用于從沙漠空氣中收集水、爾化捕獲二氧化碳、學獎儲存有毒氣體或催化化學反應。
21世紀的決定性材料
1989年，理查德·羅布森以一種新的方式創建了一種新的化學基團分子。他將帶正電的銅離子與四臂分子結合，形成一個化學基團，這個基團在每只臂膀的末端由銅離子所吸附。當它們結合在一起時，形成一個有序、寬敞的晶體，就像一顆充滿無數空間的鉆石。這就是金屬有機框架。
盡管這種分子結構從理論和應用上看有很大的潛在價值，但它不穩定并且很容易崩潰。之后，北川進和亞吉為這種化學基團的穩固和實際應用提供了堅實的基礎。1992年至2003年，他們分別取得了一系列突破性的發現。
北川進的研究表明，氣體可以流入和流出金屬有機框架，并預測金屬有機框架可以變得更為靈活。亞吉則創建了一種非常穩定的金屬有機框架，并證明它可以使用合理的設計進行修改，從而賦予其新的和理想的特性。
羅布森創造了金屬有機框架，北川井和亞吉分別完善和合理設計了金屬有機框架并給出了可能在生產和生活中應用的領域、范圍和模式。正如諾貝爾化學委員會主席海納·林克所說，“金屬有機框架具有巨大的潛力，為具有新功能的定制材料帶來了前所未有的機會。”
經過多年的研發和改進，金屬有機框架已經成為一種用途巨大的新型材料，并能產生多種產品。金屬有機框架屬于一種多孔材料，由金屬離子（或簇）和有機配體通過配位鍵連接而成。這種結構會形成一個高度有序的、三維的晶格網絡，其中包含巨大的、可調的孔隙。
金屬有機框架不僅具有金屬的活性，同時也獲得了有機配體的柔性、化學官能團的選擇性和其他物理化學性能，還有配位形成的特殊空間結構。這幾種特別的要素完美結合起來，使得金屬有機框架被預測為21世紀的決定性材料。
具有廣闊的應用前景
金屬有機框架，作為一種用途極其廣泛的超多孔納米材料，如果將一克金屬有機框架的內表面積展開，覆蓋的面積比一個足球場還大。現在，化學家已經設計了88000多個不同的金屬有機框架。
現有研究表明，金屬有機框架可用于氣體儲存與分離，如儲存氫氣和捕獲二氧化碳；可作為多相催化劑，促進化學反應的進行；也可用作傳感器，以檢測特定氣體或化學分子；還可以用于傳輸藥物，將藥物封裝在金屬有機框架的孔隙中進行按需釋放。
迄今，最能體現金屬有機框架應用價值的是藥物傳遞。藥物分子常通過氫鍵、π-π堆積、配位作用、靜電作用等吸附于金屬有機框架的孔隙或表面，讓金屬有機框架成為藥物的緩控釋放遞送載體。
如低細胞毒性的卟啉金屬有機框架PCN-221對甲氨蝶呤（治療癌癥和自身免疫疾病的藥物）具有高載藥量，甲氨蝶呤通過擴散進入PCN-221的孔隙與通道，通過其與PCN-221的π-π作用及氫鍵作用，在生理環境下實現緩釋，以保持藥物有效濃度。
此外，特定的金屬有機框架還可通過共結晶法運載胰島素，治療糖尿病。除了將藥物分子加載到金屬有機框架孔隙或表面外，還可通過藥物分子中可用的配位位點與特定的金屬離子結合，使藥物直接作為有機配體參與金屬有機框架的形成，以輸送藥物。
而在全球氣候變化的環境下，金屬有機框架對煙道氣進行碳捕獲，可以有效減少碳排放。
2022年，加拿大研究人員研制了一種稱為CALF-20的金屬有機框架，能對煙道氣進行有效碳捕獲。在1.2個大氣壓和室溫條件下，CALF-20能吸附自身重量18%左右的CO?，并且CALF-20在多種混合氣體中保持極佳的CO?選擇吸附能力。在40%相對濕度環境中，CALF-20甚至可以壓制水蒸氣而吸附CO?。
金屬有機框架還能通過吸收空氣中的水蒸氣，然后在溫度升高時釋放出水，從而實現從沙漠中收集水。這種技術特別適用于全球的沙漠地區，包括非洲的撒哈拉沙漠、亞洲和非洲的阿拉伯沙漠，亞洲的塔克拉瑪干沙漠和戈壁沙漠，以及南美洲的巴塔哥尼亞寒漠。
現在，該技術已在實驗室測試和沙漠環境的實地試驗中得到驗證。初步結果表明，金屬有機框架每千克每天可收集和提供超過一升的水，并且水質非常干凈。
而且，金屬有機框架裝置不依賴電力，且可以利用溫度變化來收集水，是一種清潔能源驅動的方案。未來，這是解決沙漠和干旱地區生活和生產用水的一種有效方式。
今年的諾貝爾化學獎授予金屬有機框架的發現和應用表明，這種材料和產品在未來具有廣闊的前景，能極大造福于人類社會。
撰稿 / 張田勘（科普作家）
編輯 / 徐秋穎
校對 / 楊許麗
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