ShoelessCai - 2025 年化学奖：分子建筑物

2025 年化学奖：分子建筑物

- 2025 -
10/15
15:18

零号员工

发表时间：2025.10.15 作者：Jingyi 来源：ShoelessCai 阅读：12

2025 年化学奖：分子建筑物

作用：精准吸附气体、锁住水分、捕获污染物。

北川进：甲烷氢气新存法

北川进的获奖研究及启发是，为氢气、甲烷等气体的存储提出新的方案，并且增加其实现的可能性。

北川生于 1951 年，日本化学家，专注于无机化学领域，现任京都大学高等研究院所长。北川研究领域是多空配位聚合物（Porous Coordination Polymer，PCP）。

上世纪 90 年代，北川继续罗布森（后篇会介绍）的工作。1992 年，北川构建出一种二维分子材料，分子之间可容纳丙酮分子的空腔。1997 年，北川搭建出三维金属有机框架（MOF）。这种 MOF 拥有交错的空腔通道，若去除材料中的水，内部孔洞仍然稳定，可以吸附和释放甲烷、氧气、氮气等气体，而 MOF 不变形。

质疑：已有多孔沸石，为何还要MOF？

北川面对这样的质疑回答道，MOF可由多种金属和有机分子构建，功能可定制、材料柔韧。

理查德·罗布森：分子的建筑，金属有机框架 MOF

英文 Richard Robson，今年诺贝尔化学奖就奖励两位科学家北川进以及理查德等，其他团队成员还包括美籍约旦科学家马尔，以及加拿大科学家。

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。”在分子的世界，这些建筑 —— 是由科学家精心设计的分子建筑 —— 金属有机框架（MOF）。

这种新型分子结构内部拥有大量空腔，分子可在其中自由进出，称为“MOF”。如今已经有数以万计的 MOF 被发现了。

1974年，澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森正在为课堂制作分子模型，他用木球代表原子、木棒代表化学键。摆弄间，他灵光一现：如果能像拼积木一样，让原子或分子依照其化学特性自行连接，能否构建出新的“分子建筑”？

十多年后，他终于动手验证这一想法。罗布森将带正电的铜离子与四臂分子相结合，结果这些分子像钻石晶格一样自组装成规则的三维晶体结构，不同的是，这种晶体内部竟有大量空腔。

亚吉：分子积木的内部面积有多大？

来自约旦的亚吉在美国继续上述分子建筑的工作，1995年，提出“金属有机框架 MOF”，定义了某种金属节点的有机配体租出，其具有规则空腔的晶体结构。1999 年，亚吉研发了 MOF-5。令人惊奇的是，MOF-5 架构下，几克 MOF-5 内部总面积相当于一个足球场，这意味着能存储更多气体。

上述“金属有机框架”应用于碳捕集、空气净化、药物配送、能源存储等等，各种前沿领域。近几年火热的新能源，存储领域又有更多选择啦！

注意，节点上的分子通常不会与吸附的气体发生化学反应，其主要作用是物理吸附或提供一个可以进行反应的“房间”。虽然MOF材料可以“驱动化学反应或导电”，但这通常是利用其巨大的比表面积和可调控的孔道环境，将催化剂封装在孔道内，或者让反应物在孔道中浓缩以促进反应。也就是说，MOF提供了一个理想的微环境（“房间”），但节点上的分子本身并不直接作为反应物参与化学反应。

这种由金属离子与有机分子编织而成的“纳米海绵”，凭借其破纪录的比表面积与孔隙结构，能像智能捕手般精准吸附气体、锁住水分、捕获污染物。从防潮鞋盒到新能源汽车的储氢罐，从冰箱除味剂到工业废气处理，MOF正悄然重塑我们与环境的互动方式。