[爆卦] 2025年諾貝爾化學獎(金屬有機骨架)

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瑞典皇家科學院決定將2025年諾貝爾化學獎頒給北川進、Richard Robson 和 Omar M.
Yaghi，以表彰他們「在金屬有機框架領域的發展」。

北川進
1951年出生於日本京都。1979年在日本京都大學獲得博士學位。現任日本京都大學教授。

理查德·羅布森
1937年出生於英國格勒斯本。 1962年獲英國牛津大學博士學位。現為澳洲墨爾本大學教授。

奧馬爾·M·亞吉
1965年出生於約旦安曼。 1990年獲得美國伊利諾大學香檳分校博士學位。現為美國加州大學柏克萊分校教授。

他們為化學創造了新的房間

北川進（Susumu Kitagawa） 、 理查德·羅布森（Richard Robson） 和 奧馬爾·M·亞
吉（Omar M. Yaghi） 因開發出一種新型分子結構而榮獲2025年諾貝爾化學獎。他們創造的這種結構——金屬有機骨架——包含巨大的空腔，分子可以在其中進出。研究人員利用
它們從沙漠空氣中獲取水分、從水中提取污染物、捕獲二氧化碳並儲存氫氣。

一間美觀寬敞的單間公寓，專為你作為水分子的生活而設計——房地產經紀人可能會這樣
描述近幾十年來世界各地實驗室研發的各種金屬有機框架之一。其他此類結構則專門用於捕捉二氧化碳、從水中分離全氟辛烷磺酸 (PFAS)、在體內輸送藥物或處理劇毒氣體。有些結構可以捕捉水果中的乙烯氣體（使其成熟得更慢），或是封裝分解環境中微量抗生素的酵素。

簡而言之，金屬有機骨架極為有用。北川進（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（
Richard Robson）和奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）榮獲2025年諾貝爾化學獎，因為他們創造了第一個金屬有機骨架（MOF）並展示了其潛力。由於這三位得獎者的工作，化學家們得以設計出成千上萬種不同的MOF，從而催生出新的化學奇蹟。

正如科學界常見的情況一樣，2025年諾貝爾化學獎的故事始於一位打破常規的思考者。這次，靈感來自於一堂經典化學課的準備，當時學生需要用棒狀和球狀的物體來建構分子。

一個簡單的分子木製模型產生了一個想法

那是1974年。當時在澳洲墨爾本大學任教的理查德·羅布森接到一個任務，要把木球變成原子模型，以便學生們能夠創建分子結構。為了完成這項工作，他需要大學的工作室在木球上鑽孔，以便木棒（即化學鍵）能夠與原子連接。然而，這些孔不能隨意排列。每個原子（例如碳、氮或氯）都以特定的方式形成化學鍵。羅布森需要標出鑽孔的位置。

當車間歸還木球後，他開始嘗試建構一些分子。這時，他靈光一閃：孔洞的位置蘊含著大量的資訊。由於孔洞的位置，模型分子會自動擁有正確的形態和結構。這項發現引發了他的下一個想法：如果他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，會發生什麼事？他能設計出新型態的分子結構嗎？

Robson 打造創新化學產品

每年，當羅布森拿出木製模型給新生上課時，他都會有同樣的想法。然而，十多年後，他才決定進行實驗。他從一個非常簡單的模型開始，靈感來自鑽石的結構：鑽石中每個碳原子與其他四個碳原子結合，形成一個微型金字塔（圖2）。羅布森的目標是建構一個類似的結構，但他的模型將基於帶正電的銅離子Cu+。像碳一樣，它們更喜歡周圍有四個原子。

他將銅離子與一個有四個臂的分子結合在一起： 4′,4〃,4”',4””-四氰基四苯基甲
烷。我們無需記住它複雜的名稱，但重要的是，每個臂末端的分子都有一個化學基團腈，它會被帶正電的銅離子吸引。

當時，大多數化學家認為，將銅離子與四臂分子結合，會形成一個由離子和分子組成的鳥巢。但事情卻如羅布森所料。正如他所預測的那樣，離子和分子之間固有的吸引力起了作用，因此它們自行組裝成一個大型分子結構。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，與緻密的鑽石不同，這種晶體包含大量巨大的空腔。

1989年，羅布森在 《美國化學會誌》 上發表了他的創新化學成果。在文章中，他展望了未來，並指出這可能為材料的建造提供一種新途徑。他寫道，這些材料可能具有前所未有的特性，甚至可能帶來益處。

事實證明，他已經預見了未來。

羅布森帶來了化學領域的拓荒精神

在他開創性研究發表的第二年，羅布森提出了幾種新型分子結構，這些結構中空腔內填充了各種物質。他利用其中一種結構來交換離子。他將這種充滿離子的結構浸入含有不同類型離子的液體中。結果，離子發生了位置互換，證明了物質可以流入和流出這種結構。

羅布森在實驗中展示了合理的設計可以用於建構內部空間寬敞、針對特定化學物質進行最佳化的晶體。他認為，這種新型分子結構——如果設計正確—可以用於催化化學反應等。

然而，羅布森的構想搖搖欲墜，隨時可能崩塌。許多化學家認為這些構想毫無用處，但也有人看出他有所建樹，他對未來的構想喚醒了他們的開拓精神。為他的願景奠定堅實基礎的是北川進（Susumu Kitagawa）和奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）。 1992年至2003年間，他們分別取得了一系列突破性的發現。我們將從1990年代開始，從當時在日本近畿大學工作的北川進（Susumu Kitagawa）開始。

北川的座右銘：無用之物也能變得有用

在他的研究生涯中，北川進（Susumu Kitagawa）始終遵循著一個重要的原則：努力發現「無用之用」。年輕學生時代，他讀過諾貝爾獎得主 湯川秀樹 的一本書。湯川在書中引用了中國古代哲學家莊子的話：我們必須質疑我們認為有用的東西。即使某些東西不能帶來直接的益處，它最終也可能被證明是有價值的。

因此，當北川開始研究建構多孔分子結構的潛力時，他並不認為它們必須有特定的用途
。 1992年，他首次展示了自己的分子結構，當時它確實沒什麼用處：一種二維材料，帶有空腔，丙酮分子可以藏匿其中。然而，它源自於一種對分子建構藝術的全新思考。像羅布森一樣，他使用銅離子作為基石，並透過更大的分子連接在一起。

北川想繼續試驗這項新的建築技術，但當他申請資助時，研究資助者認為他的雄心壯志沒有任何特別的意義。他創造的材料不穩定，也沒有任何用途，因此他的許多提案都被拒絕了。

然而，他沒有放棄，並在1997年取得了第一個重大突破。他的研究團隊利用鈷、鎳或鋅離子以及一種名為 4,4′-聯吡啶 的分子，建構了三維金屬有機骨架，這些骨架之間由開放通道相交。當他們將其中一種材料乾燥（即抽乾水分）後，它變得穩定，甚至可以在空間中填充氣體。這種材料可以吸收和釋放甲烷、氮氣和氧氣，而不會改變形狀。

北川看到了自己作品的獨特之處

北川的構造既穩定又實用，但研究資助者仍未能發現其魅力。原因之一是，化學家已經擁有沸石—一種穩定多孔的材料，可以用二氧化矽來製造。沸石可以吸收氣體，那麼為什麼有人會開發出一種效果不如沸石的類似材料呢？

北川進（Susumu Kitagawa）深知，如果想獲得任何重大資助，就必須闡明金屬有機骨架的獨特之處。因此，1998年，他在 《日本化學會誌》 上闡述了自己的構想。他列舉了
MOF的諸多優勢。例如，它們可以由多種類型的分子構成，因此在整合不同功能方面擁有巨大的潛力。此外，這一點也很重要，他意識到MOF可以形成軟材料。與通常為硬質材料的沸石不同，MOF包含靈活的分子結構單元，可以形成柔韌的材料。

此後，他只需將自己的想法付諸實行。北川與其他研究人員一起，開始開發柔性MOF。在他們進行這項工作的同時，我們將把重點轉移到美國，在那裡，奧馬爾·亞吉也致力於將分子結構提升到新的高度。

一次秘密圖書館之旅讓 Yaghi 對化學有了新的認識

對奧馬爾·亞吉來說，學習化學並非顯而易見的選擇。他和兄弟姊妹在約旦安曼的一間小房間長大，那裡沒有電，也沒有自來水。學校成了他逃避充滿挑戰的生活的避難所。十歲那年，有一天，他偷偷溜進平常上鎖的學校圖書館，從書架上隨意翻閱了一本書。打開書，他的目光被那些難以理解卻又引人入勝的圖片所吸引──這是他第一次接觸分子結構。

15歲時，在父親嚴厲的教導下，亞吉前往美國學習。他被化學深深吸引，最終被新材料設計藝術所吸引，但他發現傳統的建構新分子的方法太難以預測。通常，化學家會將需要反應的物質混合在一個容器中。然後，為了啟動化學反應，他們會加熱容器。所需的分子會生成，但通常會伴隨一系列污染性的副產物。

1992年，亞吉在亞利桑那州立大學擔任研究組組長，首次擔任該職位時，他希望找到更可控的材料合成方法。他的目標是透過合理的設計，將不同的化學成分（就像樂高積木一樣）連接起來，形成大型晶體。這極具挑戰性，但最終，當研究小組開始將金屬離子與有機分子結合時，他們成功了。 1995年，亞吉發表了兩種不同二維材料的結構；它們形狀像網狀，由銅或鈷連接在一起。後者可以在其空間中容納客體分子，當這些客體分子被完全佔據時，它非常穩定，即使在350°C的高溫下也不會崩塌。亞吉在《自然》雜誌的一篇文章中描述了這種材料，並創造了「金屬有機骨架」這個名稱；這個術語如今被用來描述由金屬和有機（碳基）分子構成的、可能包含空腔的有序延伸分子結構。

Yaghi 的框架只需幾克就能容納一個足球場

1999年，Yaghi向世人展示了MOF-5，為金屬有機骨架的發展樹立了新的里程碑。這種材料已成為該領域的經典。它是一種極為寬敞且穩定的分子結構。即使在空的情況下，它也能加熱到300°C而不會坍塌。

然而，令許多研究人員感到驚訝的是，這種材料立方體內部隱藏著巨大的空間。幾克的
MOF-5就擁有一個足球場那麼大的面積，這意味著它能吸收的氣體比沸石多得多。

說到沸石和MOF之間的區別，研究人員僅用了幾年時間就成功開發了柔性MOF。北川進本人就是其中一位能夠提出這種柔性材質的人。他的材料在充滿水或甲烷時會變形，而在抽空後又會恢復原狀。這種材料的行為有點像肺，可以吸入和呼出氣體，既可變又穩定。

Yaghi 的研究團隊利用沙漠空氣變出飲用水

奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）於2002年和2003年奠定了金屬有機骨架材料（MOF）的基石
。在 《科學》（Science） 和 《自然》（Nature）雜誌 上發表的兩篇文章中，展示了以合理的方式修飾和改變MOF材料，賦予其不同特性的可能性。他成功製備了16種MOF-5變體，其空腔比原始材料中的空腔更大或更小。其中一種變體可以儲存大量的甲烷氣體，亞吉認為這種氣體可以用於再生天然氣（RNG）燃料汽車。

隨後，金屬有機骨架材料風靡全球。研究人員開發出一種分子工具包，其中包含各種不同的部件，可用於建造新的MOF。這些部件形狀各異、特性各異，為基於人工智慧設計用於不同用途的MOF材料提供了巨大的潛力。Yaghi的研究小組從亞利桑那州的沙漠空氣中收集了水。夜間，他們的MOF材料吸收了空氣中的水蒸氣。黎明到來，太陽加熱材料，他們就能收集到水了。

捕獲二氧化碳和有毒氣體的MOF材料

研究人員已經創造出眾多不同且功能齊全的MOF材料。迄今為止，這些材料大多僅小規模應用。為了充分發揮MOF材料對人類的益處，許多公司正在投資其大規模生產和商業化。其中一些公司已經取得了成功。例如，電子業現在可以使用MOF材料來吸收生產半導體所需的部分有毒氣體。另一種MOF材料可以分解有害氣體，包括一些可用於化學武器的氣體。許多公司也正在測試能夠捕獲工廠和發電廠二氧化碳的材料，以減少溫室氣體排放。

一些研究人員認為，金屬有機骨架材料潛力巨大，可望成為21世紀的材料。時間會證明一切，但透過金屬有機骨架材料的開發，北川進、理查德·羅布森和奧馬爾·亞吉等人為化
學家們提供了解決我們面臨的一些挑戰的新機會。正如阿爾弗雷德·諾貝爾的遺囑所述，他們為人類帶來了最大的福祉。

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