新智元报道
新智元报道
一图看透全球大模型！新智元十周年钜献，2025 ASI前沿趋势报告37页首发
Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi创造了一种被称为金属有机框架的机构，它含有巨大的空腔，分子可以在其中进出。目前，研究人员已利用它们从沙漠空气中收集水分、从水中提取污染物、捕获二氧化碳以及储存氢气。「一间迷人且极其宽敞的单间公寓，专为身为水分子的你而设计」——这或许是房产中介会用来描述近几十年来全球各实验室开发的众多金属有机框架之一的方式。此类结构中的其他类型则是为捕获二氧化碳、从水中分离 PFAS、在体内递送药物或处理剧毒气体而量身定制的。有些可以捕获水果释放的乙烯气体并使其成熟得更慢，或者包裹能分解环境中抗生素痕迹的酶。简而言之，金属有机框架（MOF）的用途极其广泛。得益于获奖者们的工作，化学家们已经能够设计出数以万计的不同 MOF，催生了新的化学奇迹。正如科学领域中常见的那样，2025 年诺贝尔化学奖的故事始于一个跳出思维定式的人。这一次，灵感是在准备一堂经典化学课时产生的，课上学生们将要用棍和球来搭建分子。
那是1974年。在澳大利亚墨尔本大学任教的Richard Robson接到的任务是将木球制作成原子模型，以便学生们能够创建分子结构。为此，他需要大学的工作坊在木球上钻孔，这样代表化学键的木棍才能连接到原子上。然而，孔洞的位置不能随意安排。诸如碳、氮或氯等原子，都会以特定的方式形成化学键，因此Robson需要标记出应该在哪里钻孔。当工作坊送回木球后，他尝试搭建了一些分子。就在这时，他灵光一闪：孔洞的位置中蕴含着海量的信息。由于孔洞的位置，模型分子自动具有了正确的形状和结构。这一洞见引出了他的下一个想法：如果他利用原子的固有属性来连接不同类型的分子，而不是单个原子，会发生什么？他能否设计出新型的分子结构？每年，当Robson拿出木制模型教新学生时，同样的想法都会在他脑中浮现。然而，十多年过去了，他才决定付诸实践。他从一个非常简单的模型开始，灵感来自钻石的结构，其中每个碳原子与其他四个碳原子键合，形成一个微小的金字塔（如下图所示）。Robson的目标是构建一个类似的结构，但他的结构将基于带正电的铜离子 Cu+。像碳一样，它们也倾向于周围有四个其他原子。他将铜离子与一个有四条「臂」的分子结合：4′,4″,4″’,4″″-四氰基四苯甲烷。不必记住它复杂的名字，但重要的是，分子每条臂的末端都有一个化学基团——腈，它会被带正电的铜离子所吸引。在当时，大多数化学家都会认为，将铜离子与四臂分子结合会得到一堆如鸟巢般杂乱的离子和分子混合物。Robson预测，离子和分子之间固有的吸引力起了作用，它们自行组织成一个巨大的分子结构。就像钻石中的碳原子一样，它们形成了一个规则的晶体结构。但与致密的钻石不同，这种晶体含有大量巨大的空腔。1989年，Robson在《美国化学会志》上展示了他创新的化学作品。在文章中，他对未来进行了推测，并提出这可能提供一种构建材料的新方法。他写道，这些材料可能会被赋予前所未见的特性，并可能是有益的。事实证明，他预见了未来。
就在他开创性工作发表的第二年，Robson就展示了几种新型的分子结构，其空腔中填充了各种物质。他将充满离子的结构浸入含有不同类型离子的液体中。结果是离子交换了位置，证明了物质可以进出该结构。在他的实验中，Robson表明，理性设计可以用于构建具有宽敞内部空间的晶体，这些空间为特定化学物质进行了优化。他提出，如果设计得当，这种新形式的分子结构可以用于催化化学反应等。然而，Robson的结构相当不稳定，且容易散架。许多化学家认为它们毫无用处，但有些人能看到他有所发现，对他们而言，他对未来的想法唤醒了一种开拓精神。后来为他的愿景奠定坚实基础的是Susumu Kitagawa和Omar M. Yaghi。在1992年至2003年间，他们各自独立地做出了一系列突破性的发现。我们将从20世纪90年代开始，从当时在日本近畿大学工作的Susumu Kitagawa说起。
在其整个研究生涯中，Susumu Kitagawa都遵循着一个重要原则：努力发现「无用之用」。当他还是个年轻学生时，他读了诺贝尔奖得主Yukawa Hideki（汤川秀树）的一本书。书中，Yukawa引用了中国古代哲学家庄子的话，庄子说我们必须质疑我们认为有用的东西。即使某物不能带来直接的好处，它仍可能被证明是有价值的。因此，当Susumu Kitagawa开始研究创造多孔分子结构的可能性时，他并不认为它们必须有特定的目的。当他在1992年展示他的第一个分子结构时，它确实不是特别有用：一个二维材料，其空腔中可以藏匿丙酮分子。但它是源于一种关于分子构建艺术的新思维方式。像Robson一样，他使用铜离子作为基石，通过更大的分子连接在一起。Susumu Kitagawa想继续用这种新的构建技术进行实验，但当他申请资助时，研究资助者们认为他的抱负没有什么特别的意义。他创造的材料不稳定且没有用途，所以他的许多提案都被拒绝了。然而，他没有放弃，并在1997年取得了他的第一个重大突破。利用钴、镍或锌离子和一种名为4,4′-联吡啶的分子，他的研究小组创造出了布满开放通道的三维金属有机框架（如下图所示）。当他们将其中一种材料干燥——排空其中的水——它保持稳定，并且空间甚至可以填充气体。该材料可以在不改变形状的情况下吸收和释放甲烷、氮气和氧气。Susumu Kitagawa的结构既稳定又有功能，但研究资助者们仍然无法看到它们的魅力。一个原因是化学家们已经有了沸石，这是一种由二氧化硅构成的稳定多孔材料。它们可以吸收气体，那么为什么有人要开发一种效果不那么好的类似材料呢？Susumu Kitagawa明白，如果他想获得任何重大资助，他必须阐明金属有机框架的独特之处。于是，在1998年，他在《日本化学会志》上提出了MOF的几个优点。例如，它们可以由多种类型的分子创造，因此整合不同功能的潜力巨大。此外，他还发现，MOF可以形成柔性材料。与通常是硬质材料的沸石不同，MOF含有柔性的分子构建块，可以创造出一种柔韧的材料（如下图所示）。此后，他所要做的就是将他的想法付诸实践。Susumu Kitagawa与其他研究人员一起，开始开发柔性MOF。在他们致力于此项工作的同时，我们将目光转向美国，在那里，Omar M. Yaghi也正忙于将分子构筑学推向新的高度。
学习化学对Omar M. Yaghi来说并非一个显而易见的选择。他和他的许多兄弟姐妹在约旦安曼的一个没有电和自来水的单间里长大。学校是他充满挑战的生活中的避难所。10岁时，他有一天偷偷溜进了通常上锁的学校图书馆，并从书架上随机选了一本书。打开书后，他的目光被一些看不懂但引人入胜的图片所吸引——这是他第一次接触分子结构。15岁时，他在父亲的严令下，移居美国求学。这次，他再次被化学所吸引，并最终迷上了设计新材料的艺术。然而，在研究过程中，他发现传统的构建新分子的方法太不可预测。通常，化学家将要相互反应的物质在一个容器中混合。然后，为了开始化学反应，他们加热容器。期望的分子形成了，但通常也伴随着一系列副产物杂质。1992年，当Yaghi在亚利桑那州立大学开始他作为研究组长的第一个职位时，他想找到更可控的方法来创造材料。他的目标是使用理性设计，像搭乐高积木一样连接不同的化学成分，来制造大型晶体。这被证明是具有挑战性的，但当研究小组开始将金属离子与有机分子结合时，他们最终成功了。1995年，Yaghi发表了两种不同的二维材料的结构；它们像网一样，由铜或钴连接在一起。后者可以在其空间中容纳客体分子，当这些空间被完全占据时，它非常稳定，可以被加热到350°C而不会坍塌。Yaghi在《自然》杂志的一篇文章中描述了这种材料，并首次提出了「金属有机框架」这个术语；该术语现在用来描述由金属和有机（碳基）分子构建的、可能含有空腔的、延展有序的分子结构。1999年，Yaghi在金属有机框架的发展中树立了下一个里程碑，他向世界展示了MOF-5。这种材料已成为该领域的经典之作。它是一种异常宽敞且稳定的分子结构。即使在空置状态下，它也可以被加热到300°C而不会坍塌。然而，真正让许多研究人员为之惊叹的是隐藏在该材料立方空间内的巨大内表面积。几克MOF-5就拥有一个足球场那么大的面积，这意味着它比沸石能吸收多得多的气体（如下图所示）。谈到沸石和MOF之间的差异，研究人员只花了几年时间就成功开发出了柔性MOF。其中一位能够展示柔性材料的正是Susumu Kitagawa本人。当他的材料充满水或甲烷时，它会改变形状，当它被排空时，又会恢复到原来的形态。这种材料的行为有点像一个可以吸入和呼出气体的肺，既可变又稳定。Omar M. Yaghi在2002年和2003年为金属有机框架的基础拼上了最后的拼图。在《科学》和《自然》的两篇文章中，他展示了以理性的方式修改和改变MOF，赋予它们不同属性是可能的。他所做的一件事是制造了16种MOF-5的变体，其空腔比原始材料的更大或更小（如下图所示）。其中一个变体可以储存大量甲烷气体，Yaghi建议这可以用于可再生天然气燃料汽车。随后，金属有机框架席卷了全世界。研究人员开发出的分子工具箱，其中包含各种各样不同的部件，可用于创造新的MOF。这些MOF具有不同的形状和特性，为针对不同目的进行理性设计——或基于AI的设计——提供了难以置信的潜力。例如，Yaghi的研究小组已经从亚利桑那州的沙漠空气中收集了水分（如下图所示）。在夜间，他们的MOF材料从空气中捕获水蒸气。当黎明来临，太阳加热材料时，他们就能够收集到水。如今，研究人员已经创造了许多不同且功能强大的MOF。
一些研究人员认为，金属有机框架具有如此巨大的潜力，它们将成为二十一世纪的材料。时间会证明一切，但通过开发金属有机框架，Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi为化学家们解决我们面临的一些挑战提供了新的机遇。因此，他们——正如诺贝尔的遗嘱所言——为全人类带来了最大的福祉。
文章原文
