获诺贝尔化学奖的金属有机框架，其空腔构成的内部表面积，大得超乎想象 2025年诺贝尔化学奖授予了北川进、理查德·罗布森和奥马尔·M·亚吉，以表彰他们共同开发了一种名为“金属有机框架”的革命性材料。瑞典皇家科学院用一句富有诗意的话总结了他们的贡献，说：“他们为化学创造了新空间。”这句话精准地概括了这项工作的本质——它不仅在材料科学上开辟了新天地，更在分子层面上为化学家提供了如同建筑师一般设计和塑造空间的能力。 金属有机框架到底是个怎样的东西呢？通俗来讲，它是一种用金属离子和有机分子像搭积木一样构建而成的“分子建筑”。 在这个精巧的结构中，金属离子（如锌、铜等）扮演着“连接点”或“角石”的角色，就如同积木上的凸点；而有机分子则作为“梁柱”或“连接杆”，将这些金属连接点串联起来，形成规则整齐、内部布满宽敞空腔的三维晶体结构。 这些空腔构成了巨大的内部表面，其尺度超乎想象——仅仅一克金属有机框架材料的内部表面展开后，甚至可以超过一个足球场的大小。这种极高的孔隙率意味着框架内部拥有巨大的空间，可以容纳大量的气体或液体分子，使其能够自由进出，从而实现了对特定物质的捕获、储存和释放。 这项突破性的成果并非一蹴而就，它源于数十年前一个超越常规的构想。故事的开端要追溯到20世纪70年代的理查德·罗布森教授，当时他正在准备化学课的教具。他委托学校车间制作了一些木球模型来代表原子，并在上面钻孔以插接代表化学键的木棍。在组装这些模型的过程中，罗布森敏锐地意识到，原子固有的成键特性或许不仅能用于构建单个分子，更能用来连接不同类型的分子，从而创造出全新的宏观结构。这个想法在他脑海中萦绕了十多年，直到20世纪80年代，他才最终决定去付诸实验。 罗布森的初始灵感来源于钻石的晶体结构。他设想用带正电的亚铜离子代替钻石中的碳原子，因为铜离子也与碳原子类似，倾向于与四个相邻原子形成配位键。他将这些铜离子与一个具有四条“臂”的有机分子结合，每个分子臂末端都带有能强烈吸引铜离子的氰基化学基团。 当这两种组分结合时，它们自发地排列成了一个结构有序且内部拥有大量空腔的晶体，宛如一座精致的“分子宫殿”。1989年，罗布森在《美国化学学会杂志》上发表了这项奠基性的工作，并前瞻性地指出，这种设计思路可能为构建具有前所未有的新材料开辟道路。然而，当时许多化学家认为他的构想缺乏实用价值，因为这些早期材料结构脆弱，容易坍塌。