2025年盧保化學獎揭曉：三位科學家因開創金屬有機框架材料獲獎

斯德哥爾摩時間 10 月 8 日，瑞典皇家科學院宣佈，將 2025 年盧保化學獎授予三位在「金屬有機框架」領域做出開創性貢獻的科學家：日本京都大學的 Susumu Kitagawa、澳州墨爾本大學的 Richard Robson 以及美國加州大學伯克利分校的 Omar M. Yaghi。他們將平分 1100 萬瑞典克朗的獎金，以表彰他們「對金屬有機框架（metal-organic frameworks, MOFs）的開發」。這三位化學家所創造的分子建築，為人類應對氣候變化、環境汙染和能源儲存等全球性挑戰開闢了全新路徑。

盧保化學委員會主席 Heiner Linke 在新聞發佈會上表示，金屬有機框架材料具有巨大潛力，為定製設計具有全新功能的材料帶來了前所未有的機遇。這些由金屬離子作為「拐角」或節點，由有機分子作為「連杆」或支柱，通過自組裝方式搭建起來的高度有序的晶體結構，其內部充滿了微觀尺寸的孔洞。正是這些可以被精確設計的孔洞，賦予了化學家們前所未有的能力，去捕獲、儲存、分離特定的分子，甚至在其中催化化學反應。從沙漠空氣中收集飲用水，到從工業廢氣中捕獲二氧化碳；從過濾水中微量的藥物殘留和全氟及多氟烷基物質，到為氫能源汽車設計更安全高效的儲氣罐，MOFs 展現的應用圖景幾乎無所不包，被部分研究者譽為「21 世紀的材料」。

這個故事要從 1974 年的一個普通教學日講起。當時在墨爾本大學任教的 Richard Robson 正在為學生準備一堂經典化學課，課程內容是用木球和木棒搭建分子模型。為了讓模型能夠正確工作，他需要大學工坊在木球上鑽孔，以便插入代表化學鍵的木棒。但這些孔洞不能隨意安排，每種原子——無論是碳、氮還是氯——都以特定方式形成化學鍵，孔洞位置必須精確對應。當工坊將打好孔的木球送回時，Robson 在組裝過程中突然意識到，這些孔洞的位置中蘊含著大量信息。模型分子會自動呈現出正確的形狀和結構，僅僅因為孔洞位置的安排。這個發現引發了他的下一個想法：如果利用原子的固有屬性來連接不同類型的分子，而不是單個原子，會發生什麼？能否設計出全新類型的分子建築？

這個想法在 Robson 的腦海中盤桓了十多年。每年當他拿出木製模型教授新學生時，同樣的念頭都會浮現。直到上世紀八十年代末，他終於決定付諸實踐。他從一個非常簡單的模型開始，靈感來自鑽石結構——在鑽石中，每個碳原子與其他四個碳原子鍵合，形成微小的金字塔形。

Robson 的目標是構建類似結構，但他使用的是帶正電的銅離子。與碳原子一樣，這些銅離子也傾向於周圍有四個其他原子。他將銅離子與一種具有四條”手臂”的分子結合，這個分子名為 4′,4”,4”’,4⁗-四氰基四苯甲烷（4′,4”,4”’,4⁗-tetracyanotetraphenylmethane），每條手臂末端都有一個腈基團，這種化學基團會被帶正電的銅離子吸引。

當時的大多數化學家都會認為，將銅離子與這種四臂分子混合只會產生一團亂麻般的離子和分子。但結果卻出乎意料地符合 Robson 的設想。正如他預測的那樣，離子和分子之間的固有吸引力發揮了作用，它們自發組織成了一個巨大的分子構造。就像鑽石中的碳原子一樣，它們形成了規則的晶體結構。然而與鑽石這種緻密材料不同，這種晶體內部包含大量巨大的空腔。1989 年，Robson 在《美國化學會誌》（Journal of the American Chemical Society）上發表了這一創新性化學創造。在論文中，他對未來進行了推測，認為這可能提供一種構建材料的新方法，這些材料可以被賦予前所未見且可能有益的性質。事實證明，他預見了未來。

Robson 的開創性工作揭示了一條通往新世界的道路，但他最初的結構相當脆弱，容易坍塌，這使得許多化學家對其應用前景持懷疑態度。然而，這顆思想的種子已經播下，並即將由另外兩位科學家——Susumu Kitagawa 和 Omar Yaghi——分別在地球的兩端，澆灌成參天大樹。在 1992 年到 2003 年間，他們各自獨立取得的一系列革命性發現，為這門新興的分子建築學奠定了堅實的根基。

遠在日本的 Susumu Kitagawa，其科研生涯深受日本首位盧保獎得主湯川秀樹（Hideki Yukawa）引述的中國古代思想家莊子思想的影響——「無用之用，方為大用」。這種哲學觀讓他得以在研究初期，頂住外界對於「不穩定、無目的」的質疑。

1992 年，Kitagawa 發表了他的第一個金屬有機框架結構：一個基於銅離子和吡嗪、乙腈的二維網絡，其空腔中可以容納丙酮分子。雖然這個結構在實用性上還不夠理想，但它代表了一種關於分子建築的新思維方式。Kitagawa 想繼續探索，但當他向研究資助機構申請經費時，卻屢屢碰壁——評審們認為這些材料既不穩定又沒有明確用途，不值得投資。

但 Kitagawa 沒有放棄。1997 年，他迎來了首次重大突破。他使用鈷、鎳或鋅離子與一種名為 4,4′-聯吡啶的有機分子，以及硝酸根作為輔助配體，成功合成了一種被他稱為「舌槽式」（tongue-and-groove）的三維框架結構。這種結構的幾何特徵是突出的「舌」嵌入相鄰的「槽」中，形成層狀排列。更重要的是，這些結構內部佈滿了開放的通道，在去除填充其中的水分子後依然能保持穩定，並且能夠在室溫下可逆地吸收和釋放甲烷、氮氣和氧氣等氣體，而自身結構不受影響。這是 MOF 材料首次展現出實用的氣體吸附功能，標誌著該領域從純粹的結構化學探索走向功能材料開發。

然而，研究資助者仍然猶豫不決。當時化學家們已經有了沸石——一類由矽鋁酸鹽構成的穩定多孔材料，已在工業上廣泛應用於氣體分離和催化。既然有了成熟的沸石技術，為什麼還要開發這種看起來不那麼穩定的新材料呢？Kitagawa 明白，如果要獲得重大資助和學界認可，他必須闡明 MOFs 的獨特價值所在。1998 年，他在《日本化學會會報》上發表了一篇具有里程碑意義的展望文章。在這篇文章中，他系統地提出了 MOFs 相對於傳統多孔材料的根本優勢：首先，MOFs 可以由幾乎無限多種金屬和有機分子組合而成，這賦予了它們難以想像的結構和功能多樣性；更重要的是，與硬脆的沸石不同，MOFs 包含柔性的有機連接單元，可以被設計成能夠響應外界刺激而動態變化的「軟材料」。

Kitagawa 隨即提出了一個影響深遠的概念框架，將 MOFs 分為三代：第一代是在去除客體分子後會坍塌的不穩定結構；第二代是能夠穩定地、可逆地吸附和釋放客體分子而保持結構完整性的框架；第三代則是他預言的「軟多孔晶體」——這類材料的框架結構本身是柔性的，能夠根據外部條件（如壓力、溫度）或客體分子的性質而動態地收縮、膨脹或扭曲，就像生物體內的蛋白質一樣。這一構想在當時是革命性的，因為它意味著 MOFs 不再僅僅是靜態的分子容器，而可能成為能夠「呼吸」、能夠「感應」環境的智能材料。幾年後，包括 Kitagawa 自己在內的多個研究團隊成功合成了這類柔性 MOFs，證實了他的預言。事實上，他 1997 年合成的那個「舌槽式」結構後來也被證明具有柔性特徵。

與此同時，在美國的 Omar Yaghi 也在探索一種更可控、更具設計性的材料合成方法。Yaghi 生於約旦安曼的一個缺少水電的家庭，對他而言，科學是逃離困頓生活的避難所。他厭倦了傳統化學合成中「一鍋燴」式的、充滿不可預測性的反應。他渴望一種如同搭積木般的化學，能夠通過理性設計，將精心挑選的化學構件精確地組裝成宏大的結構。1995 年，Yaghi 在《自然》（Nature）雜誌上發表了一種穩定的二維網狀結構，並首次鑄造了「金屬有機框架」（metal-organic framework）這個術語。

而真正讓整個化學界為之震動的，是他在 1999 年推出的 MOF-5。這個由含鋅團簇和有機酸分子構成的框架，展現出出色的穩定性，即使在真空環境下加熱到 300 攝氏度也能屹立不倒。更令人驚訝的是其巨大的內部比表面積——理論計算表明，幾克 MOF-5 粉末內部孔隙展開的面積，足以媲美一個標準足球場。這意味著它在氣體吸附能力上，遠遠超越了當時所有的沸石材料。

MOF-5 的誕生，宣告了 MOF 研究從「可能性探索」進入了「實用性開發」的新紀元。在此基礎上，Yaghi 進一步系統化了 MOF 的設計哲學，提出了「網狀化學」（Reticular Chemistry）的全新概念。這一理論框架，使得科學家們能夠像建築師一樣，通過更換不同長度或功能的「連杆」分子，在保持整體拓撲結構不變的前提下，精確地定製孔洞的大小和化學環境，從而系統地創造出具有不同特性的 MOF 家族。

Robson 的原始構想、Kitagawa 的柔性發現、以及 Yaghi 的穩定結構與系統設計理論，共同構成了現代 MOF 科學的三大支柱。他們的工作，將化學合成從過去依賴試錯和偶然發現的「藝術」，轉變為一門可以精確預測和理性設計的「科學」。在他們奠定的基礎上，全球的化學家們如今已經創造出數以萬計種結構各異、功能不同的 MOFs。

這些「分子海綿」的現實應用正在從實驗室走向工業化。例如，Yaghi 的團隊已經開發出能在亞利桑那州的乾燥夜晚從空氣中捕獲水蒸氣，並在白天陽光照射下釋放出純淨飲用水的 MOF 材料。在加拿大，一種名為 CALF-20 的 MOF 因其卓越的二氧化碳捕獲能力，正在工廠進行工業規模的測試。而在新能源領域，為解決氫氣儲存難題而優化的 NU-1501 材料，可以在常壓下安全地儲存和釋放氫氣，為燃料電池汽車的普及掃清了一大障礙。此外，清除水體中的微量汙染物、在戰爭中分解化學武器毒劑、作為藥物載體精準遞送藥物……MOFs 的應用清單每天都在變長。

誠然，從實驗室的克級製備到工業化的大規模生產，MOFs 仍面臨著成本、穩定性及生產工藝等方面的挑戰。但這無損於三位獲獎者貢獻的根本價值。他們給予世界的，遠不止一種新材料，而是一套功能強大、近乎無限可調的「分子樂高」和一種全新的設計思想。他們用數十年的堅持證明，在很多時候，最堅實的根基往往鋪墊於那些最初看似「無用」的土壤之中。

參考資料：

1.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/press-chemistryprize2025.pdf

2.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/popular-chemistryprize2025-1.pdf

3.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/advanced-chemistryprize2025.pdf

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