开发大量多孔“超级海绵”材料的科学家获2025诺贝尔化学奖

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开发大量多孔“超级海绵”材料的科学家获2025诺贝尔化学奖

原文作者：Davide Castelvecchi & Miryam Naddaf

北川进（Susumu Kitagawa）、Richard Robson和Omar Yaghi开创性地制造了金属-有机框架，能捕获和存储二氧化碳等分子。

北川进、Omar Yaghi 和Richard Robson因开发金属有机框架而获得2025年的诺贝尔化学奖。来源：Kawasaki/Yomiuri Shimbun via AP/Alamy、Brittany Hosea-Small/加利福尼亚大学伯克利分校、Paul Burston/墨尔本大学

这三位科学家开发出了一类极为多孔的材料，称为金属有机框架（MOF），荣获今年的诺贝尔化学奖。

日本京都大学的北川进、澳大利亚墨尔本大学的Richard Robson和美国加利福尼亚大学伯克利分校的Omar Yaghi，将分享1100万瑞典克朗（约合120万美元）的奖金，以表彰他们开创了新形态的分子结构。由于拥有庞大的内表面积，MOF有望应用于存储气体、催化剂及药物递送等诸多领域。

“今年的获奖者……发现了方法，创造出了内部具有大空腔的全新材料。”诺奖委员会主席、瑞典隆德大学纳米科学家Heiner Linke在颁奖的新闻发布会上说。“一点儿这样的材料几乎就像《哈利·波特》里赫敏的手提包——微小体积就能存储大量气体。”

自那时起，化学家们已经制造出超过10万种不同的MOF材料，构想出许多商业应用场景。“我们能制造出从空气或工业排气管中分离二氧化碳的材料，或从废水中分离有毒分子的材料。”Linke 说。“在基础化学角度提供丰富知识之外，我们也已经看到多种应用正在涌现。”瑞士洛桑联邦理工学院的化学家Wendy Queen说。

北川进在颁奖仪式上告诉记者，他从事这项研究既是为了它的潜在社会获益，也源于纯粹的乐趣。“长期研究能得到认可，我深感荣幸。”他说。

在新闻发布会上，Yaghi说他接到斯德哥尔摩的电话时正在机场等行李。“这种时刻无法预先准备。”他说，“我既惊讶又高兴。”

多孔聚合物

MOF的概念起初由Robson在1980年代提出。受到金刚石晶体的结构（每个碳原子与4个碳原子连接）启发，他与Bernard Hoskins合作设计了一种金字塔形单元组成的材料，铜原子通过有机分子相连[1,2]。

20世纪90年代早期，北川进开发了能够填入水的金属有机框架材料，能在后续干燥并填入气体后结构仍保持稳定。MOF的一个关键特点是，填充其空隙的物质与框架结合力不那么强，后续就能较易脱出。“能量对该技术极为重要。”北川进说。他还意识到，这一框架会根据是否填充及环境变化（如温度和光照）而变形[3]。

大约同一时期，Yaghi提出了“金属有机框架”的术语[4]，开发了含羧酸连接体，使结构更为稳定，可加热到300 ˚C。他还成功制造出立方结构的MOF[5]和连接体更长的MOF，仅几克固体粉末的内部表面积就相当于一个足球场大小。

MOF CALF-20，目前已用于工业规模的二氧化碳捕集（本视频无声音）。来源：编辑自mofanatomy.com

MOF每克可拥有多达7000平方米的表面积，接近1.3个足球场，却只有拇指与食指搭个圈那么大。“人们立刻意识到了它在气体存储和分离中的应用潜力。”澳大利亚阿德莱德大学的化学家Christian Doonan说，他曾在Yaghi团队从事博士后研究。

Yaghi的工作“开创了化学突破，把这些材料孔隙里所有分子都清除后仍能保持永久多孔。” Doonan说，“这真正在无机化学窄领域之外激发了人们的兴趣。化学界各个领域的研究者都为之而动。”

深入研究的材料

根据7月《自然》的一项分析，已有逾10万篇学术论文研究MOF（见“有机金属框架论文”）。“这是过去20年里研究极多的材料。” Doonan说。他补充说，由于其多孔结构和模块化设计，研究者能够调整其形状大小，并在表面上令其生长。Yaghi告诉记者，对大多数分子和材料而言，从理论公式到合成化合物之间困难重重，但MOF的故事没那么山重水复，尤其是有了AI的帮助。“能构想出来，就能造出来。”

尽管业界寄予厚望，目前还只有少数几种MOF得到商业化生产。加拿大的一家公司Svante正在用其捕获二氧化碳，并表明一种称为CALF-20的MOF能从水泥生产的废气中捕获温室气体——Yaghi称之为“令人惊叹的应用”。另一些公司正在开发MOF从干燥空气中收集水、过滤或安全存储有毒气体等。

Queen说，规模化应用的一个挑战是找到正确的材料组合，使之满足不同用途稳定性。“有太多材料可以选。特定用途精准材料不是那么唾手可得的。”

来源：Nature analysis/Dimensions

Doonan说，Yaghi是一位“了不起的科学家和科学传播者”，并且说看到MOF的早期工作获得诺贝尔奖的认可“振奋人心”。他回忆去年访问墨尔本大学时，看到年逾七旬的Robson仍然“穿着白大褂穿行于实验室，忙着混合化合物。”

“Robson是一位谦逊的人，凭借对科学的热爱赢得了这一荣誉。”墨尔本大学的副校长Mark Cassidy在一项声明中说。“几十年来，他日日前往实验室，与学生交流，思考宏大的化学问题并着手实验。”

“很高兴看到该领域的先锋人物获得认可。”英国贝尔法斯特女王大学的化学家Stuart James说。“随着这个领域的发展，我们将了解到越来越多此类材料的实例，并精确地掌握如何把它们用到对的地方去。”

参考文献：

1. Hoskins, B. F.; Robson, R. J. Am. Chem. Soc. 111, 5962–5964 (1989).

2. Hoskins, B. F.; Robson, R. J. Am. Chem. Soc. 112, 1546–1554 (1990).

3. Kitagawa, S.; Kondo, M. Bull. Chem. Soc. Jpn. 71, 1739–1753 (1998).

4. Yaghi, O. M.; Li, G.; Li, H. Nature 378, 703–706 (1995).

5. Li, H.; Eddaoudi, M.; O’Keeffe, M.; Yaghi, O. M. Nature 402, 276–279 (1999).

原文以Chemistry Nobel for scientists who developed massively porous ‘super sponge’ materials标题发表在2025年10月8日《自然》的新闻版块上

© nature

Doi：10.1038/d41586-025-03195-1