*本文为「三联生活周刊」原创内容金属有机框架的材料和大小都可以改变，它有着无穷无尽的设计空间。2025年10月8日，日本科学家北川进（Susumu Kitagawa），英国科学家理查德·罗布森（Richard Robson）与美国科学家奥马尔·亚吉（Omar Yaghi）因为“开发金属有机框架”而共同获得了本年度的诺贝尔化学奖。究竟什么是金属有机框架（metal–organic framework），这种结构有哪些可能的应用，为化学研究又开辟了哪些新的路径？关于这些问题，瑞典皇家科学院院士，诺贝尔化学奖评委邹晓冬在发布会后接受了本刊的专访。文｜苗千三联生活周刊：今年诺贝尔化学奖是关于金属有机框架结构。你能否先介绍一下这三位获奖者在研究中的角色和贡献？邹晓冬：墨尔本大学的罗布森最先提出这个想法，利用金属和有机分子结合起来，制造出一种全新的有序的固态晶体。金刚石是一种致密的材料，那么能否把它内部的空间进一步扩张？想要扩张，可以把碳原子换成金属离子，再利用有机分子把它们连接起来，这样就出现了内部的孔洞。这样就可以根据金属的特性来设计不同的金属有机框架材料，“客体分子”就可以进出这种框架结构的孔洞——这是罗布森提出来的概念，可是他合成出来的材料并不稳定。也就是说，“客体分子”可以进入金属有机框架的孔洞里，但是当“客体分子”离开后材料就坍塌了。这种情况也很正常，因为有机分子通常很软。理查德·罗布森的灵感来自钻石的结构——在钻石中，每个碳原子都与另外四个原子相连，形成一个金字塔形的结构。他没有使用碳，而是采用铜离子和一种具有四条臂的分子，每条臂的末端带有一个腈基。这是一种会被铜离子吸引的化合物。当这两种物质结合时，它们形成了一个有序且极其宽敞的晶体结构。（图源： Johan Jarnestad / 瑞典皇家科学院）接下来京都大学的北川进和加州大学伯克利分校的奥马尔·亚吉分别提出了两个概念。北川进从有机分子的角度考虑，发现金属有机框架可以像分子筛一样，成为一种交换分子的多孔材料。而奥马尔·亚吉是从无机化学的角度考虑，提出了一个全新的概念进行合成。可以说金属有机框架的材料和大小都可以改变，它有着无穷无尽的设计空间。而且现在人们可以把它的结构设计得很坚固，“客体分子”进去又出来，也不会破坏它的结构。只不过是内部没有分子的时候金属有机框架就塌下去一点，有分子的时候又被“撑开”了。2025年诺贝尔化学奖授予北川进、理查德·罗布森以及奥马尔·M·亚吉。图/诺贝尔奖委员会官网三联生活周刊：刚刚提到了“自组装”（self-assembly）——这已经不是诺贝尔奖发布会第一次提到这个作用。你可否简单介绍一下自组装的意义？邹晓冬：一般来说原子聚集在一起的时候会很混乱，但是在某些情况下原子会按照一定的规律自动进行“组装”，链接起来，形成一个有规律的模式。比如说金属离子和有机分子之间存在一种结合力。如果它们遇到一起，就会自动结合起来，最终形成一个有组织的结构。三联生活周刊：我们有没有可能利用金属有机框架来收集温室气体，阻止全球变暖？邹晓冬：有这种可能。这种材料很神奇，因为它的表面积很大。比如说一小颗方糖，它的表面积可能有一个足球场那么大，因为它有很多的小孔。如果我们利用金属有机框架来收集二氧化碳，它可以把很多二氧化碳分子吸收进来，而且让它们很紧密地聚集在一起。我们也可以利用不同的金属有机框架，调节温度，气压等参数，让它选择性地吸收二氧化碳、甲醇或者是水分子。比如说在沙漠地带，晚上的气温稍低，这时空气里的水分子就会被吸收到金属有机框架结构里。到了白天温度升高，这些水分子又会被释放出来。我们就可以通过这个过程在沙漠里得到饮用水。1997年，北川进成功构建出一种金属有机框（MOF），其中贯穿着开放的通道。这些通道可以被不同类型的气体填充。材料能够释放这些气体，而自身结构不受影响。（图源： Johan Jarnestad / 瑞典皇家科学院）三联生活周刊：在发布会上还提到，金属有机框架还可以对化学反应有催化作用。这是如何实现的呢？邹晓冬：一方面，它增加了化学反应的面积：金属有机框架有很多孔洞——如果没有孔洞的话，化学反应就只能在表面进行；有了金属有机框架，化学反应就也可以在孔洞里进行。另一方面，金属有机框架本身也可以是催化剂。其中的金属离子和有机分子都可以起到催化作用，而且不同的有机分子还可以协同起到催化作用。如果金属有机框架的孔洞足够大的话，也可以把催化剂装在孔洞里面进行催化。比如说很多酶的性质并不稳定，我们可以把它装到金属有机框架里面让它保持稳定，然后再提高温度进行催化。所以说金属有机框架就像是一座房子，它的功能是无限的。2025年诺贝尔化学奖官方科普图，讲解金属-有机框架（MOFs）的多孔结构与气体吸附功能（图源:诺贝尔奖发布会视频）三联生活周刊：在人类设计出金属有机框架之前，这种特殊的结构在自然界中存在吗？邹晓冬：之前它在自然界中可能是不存在的。虽然有人声称在生物体中金属和有机分子间电子的传播可能利用了这种结构，但是并没有得到证实。三联生活周刊：既然这种化学结构之前在自然界中并不存在，而且它又特别稳固，很长时间都不会降解，那么难免会让人担心，它会不会像塑料一样对环境造成污染？邹晓冬：金属有机框架和塑料不一样。塑料是通过共价键连接，非常稳定。而金属有机框架是通过配位键连接，并不是完全稳定。也就是说如果我们利用不同的溶剂，或是加温，它的化学键是很容易断掉的——然后我们可以再给它换上其它的功能键。也就是说，金属有机框架是可以回收的，不用担心对自然界造成污染。1998年，北川进提出金属有机框架（MOF）可以设计为具有柔性的材料。如今已出现大量可变形的MOF，它们能在吸附或释放不同物质时改变形状。（图源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科学院）三联生活周刊：金属有机框架已经出现了30多年时间。这个研究领域现在的发展状况如何？邹晓冬：这个领域的发展很快。现在世界上已经有大概10万种金属有机框架结构了。在中国大概有100多个团队在进行这方面的研究。在这个领域有一半的学术论文来自中国科学家。三联生活周刊：金属有机框架有哪些商业应用？邹晓冬：比如说半导体制造产业会产生出很多有毒气体。我们可以利用金属有机框架结构把这些有毒气体储存起来。我认为金属有机框架最大的作用可能就是（通过收集温室气体来）阻止全球气候变暖。它还有一个功能就是进行储能。比如说利用它来存储氢气或甲醇，成为一种特殊的能量存储方式。图源：诺贝尔奖发布会视频“点赞”“在看”，让更多人看到 排版：小雅 / 审核：同同招聘｜撰稿人详细岗位要求点击跳转：《三联生活周刊》招撰稿人本文为原创内容，版权归「三联生活周刊」所有。欢迎文末分享、点赞、在看三连！未经许可，严禁复制、转载、篡改或再发布。大家都在看“点赞”“在看”，让更多人看到 平台地址：http://www.jintiankansha.me/t/Cj0oxQiCoT