据科技日报 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。”
这样的“房子”确实存在。它们是由科学家精心设计的分子建筑——金属有机框架化合物（MOF）。今年，诺贝尔化学奖授予日本科学家北川进、澳大利亚科学家理查德·罗布森和美国科学家奥马尔·亚吉，以表彰他们在MOF材料开发方面的开创性贡献。
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。得益于三位科学家的工作，化学家如今已能设计出数以万计的不同MOF，为化学领域带来一连串“奇迹”。
理查德·罗布森 “分子建筑”灵感源自一节化学课
科学发现常始于“跳出框架”的思考。2025年诺贝尔化学奖的故事，源自一节普通的化学课准备。
1974年，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”？
直到十多年后，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。1989年，他在《美国化学会志》上发表成果，首次提出这类分子网络的潜力，预言它们将赋予材料前所未有的性质。
理查德·罗布森的灵感来源于钻石的结构，钻石中的每个碳原子都与其他四个碳原子连接，形成金字塔状的结构。
此后，罗布森陆续合成出多种含空腔的分子网络，并证明这些结构内部的离子可以互换，从而让物质进出。他展示了可按需设计的分子晶体，并提出这种材料可用作催化剂。尽管早期材料脆弱、易分解，被认为“没用”，但罗布森已打开了“分子建筑”的大门。
北川进 让“无用之物”变得有用
20世纪90年代，北川进接过了罗布森探索的火种。他奉行的信条是：“要看到‘无用之物’的用处。”
1992年，北川进构建出一种二维分子材料，分子之间形成可容纳丙酮分子的空腔。虽然功能有限，但这代表一种全新的分子设计思维。他同样用金属离子作为“支点”，以有机分子相连。
1997年，北川进成功构建出一种金属有机骨架，其内部由开放通道相交。
1997年，他的团队用钴、镍、锌离子与4,4′-联吡啶分子搭建出三维MOF结构，形成交错的空腔通道。当他们将材料中的水去除后，这些孔洞仍然稳定，可以吸附和释放甲烷、氧气、氮气等气体而不变形。
面对“已有多孔沸石，为何还要MOF？”的质疑，北川进给出关键答案。他认为，MOF可由多种金属和有机分子构建，功能可定制，并且材料柔韧，能如呼吸般吸附和释放气体。这一定义奠定了MOF的科学基础。
奥马尔·亚吉 为分子积木命名并赋予力量
在大洋彼岸，奥马尔·亚吉延续并拓展了这一理念。1995年，亚吉正式提出“金属有机框架（MOF）”这一名称，定义了这种由金属节点和有机配体组成、具有规则空腔的晶体结构。
1999年，亚吉构建了一种非常稳定的材料——MOF-5，它具有立方体结构。
随后，他于1999年研发出MOF-5，这是一种极其稳定且空间巨大的框架结构，即使在300℃高温下也不会坍塌。最令人震惊的是其内部表面积：几克MOF-5的内部总表面积相当于一个足球场，远超传统沸石。这意味着它能吸附更多气体。
亚吉的团队继续扩展MOF家族，创造出十几种变体，用以储存甲烷、捕获二氧化碳，甚至在沙漠中利用MOF创造了“空中取水”的奇迹：夜晚材料吸附空气中的水汽，白天经太阳加热后释放出液态水，为干旱地区提供取水新途径。
MOF-303可以在夜间捕获沙漠空气中的水蒸气。当早晨太阳加热该材料时，便会释放出可供饮用的水。
如今，科学家已设计出数以万计的MOF，它们被用于碳捕集、空气净化、药物递送、能源存储等众多前沿领域。甚至在半导体制造中，也有MOF被用于捕捉或分解剧毒气体。
一些科学家认为，MOF潜力巨大，有望成为“21世纪的材料”。无论未来如何，通过MOF的开发，三位科学家为我们提供了解决能源、环境与健康等重大问题的新途径，而这正契合了诺贝尔遗嘱中“造福人类”的精神。
解读
金属有机“笼子”离我们有多远
本报记者李楠长沙报道
10月8日，2025诺贝尔化学奖揭晓，日本科学家北川进、澳大利亚墨尔本大学科学家理查德·罗布森、美国科学家奥马尔·亚吉三位科学家共同获奖，以表彰他们“在金属有机框架领域的发展”。
国内有公司首创了使原材料更易获得的工艺
中南大学化学化工学院教授、博士生导师徐海对于金属有机框架化合物（以下简称MOF）开展过很多研究，已发表十多篇相关论文。他介绍，获奖的三位科学家是MOF领域的先驱，MOF主要是指有机成分和金属实现配位，再形成框架，相当于笼子，然后就可以做各种各样的应用。当前从事这一领域研究的科学家为数不少，就可以发现不同的“笼子”，做各种不同的应用。
从科学研究到具体应用，徐海教授坦言：“MOF的制造成本曾经确实较高，目前尚没有大规模应用非常好的样本。但近年来随着制备工艺的改进，其成本正在逐渐降低，一些应用也已开始走进普通人的生活。”他举例表示，国内已有公司自主研发了MOF的新型制备工艺，首创了助剂调控快速结晶制备工艺，使原材料更易获得，成本降到接近一元一克，“这个是巨大的突破”。
具体应用已逐步落地或接近实用化
随着MOF的制造成本的降低，徐海教授认为，MOF将在环境净化、能源储存、日常用品升级三大场景与我们普通人的生活相关联，其中具体应用已逐步落地或接近实用化。
在空气与水质净化领域，MOF的超高孔隙率能高效吸附污染物，比如在家用净水器中可过滤水中的重金属（铅、汞）和微量有害有机物；在空气净化器滤网中，能精准捕捉甲醛、TVOC等装修异味，吸附精准度远优于传统活性炭。
对于能源与便携设备，MOF可用于储氢和储甲烷，未来能让氢能汽车的储氢罐体积更小、更安全；在充电宝或手机电池中，MOF基电极材料可提升电池容量和快充速度，延长设备续航。
在日常用品与健康层面，在食品包装中，MOF可作为“保鲜剂载体”，缓慢释放抗菌成分，延长水果、肉类的保质期；在医用领域，MOF能包裹药物并精准递送到病灶（如肿瘤部位），减少药物对正常细胞的伤害，提升治疗效果。
获奖者之一的奥马尔·亚吉与中国有诸多联系
值得一提的是，本次诺贝尔化学奖获奖者之一的奥马尔·亚吉与中国有诸多联系。据媒体报道，该校副校长王博师从本次的获奖者之一奥马尔·亚吉。王博立足MOF、配位聚合物薄膜材料（MOFilter），面向重大国家需求，在污染治理、绿色储能、能源气体生产与储存等领域取得了系列科研成果。
此外，奥马尔·亚吉曾在2022年1月被清华大学核能与新能源技术研究院聘任为清华大学名誉教授。据清华大学核能与新能源技术研究院官网消息，清华大学核能与新能源技术研究院近年来开展了COF/MOF材料的应用研究，取得了一些开创性的成果，例如新型拓扑结构COF储氢（J.Am.Chem.Soc.,2021,143,92.）和锂离子电池MOF隔膜（NatureCommun.,2022,13,172.）。国际业内顶尖教授奥马尔·亚吉的加入，将进一步拓展COF/MOF在新能源领域的应用研究。
