◎ 本报特约作者 郎建平，苏州大学讲席教授，国家自然科学基金青年科学基金项目（A类），苏州大学学位评定委员会副主席    

北京时间10月8日，瑞典皇家科学院宣布，将2025年诺贝尔化学奖授予北川进（Susumu Kitagawa，日本）、理查德·罗布森（Richard Robson，英国）和奥马尔·亚基（Omar M. Yaghi，美国）3位科学家，以表彰他们“发展了金属-有机框架（Metal-Organic Framework, MOF）”。诺贝尔化学奖委员会主席海纳·林克评价道：“金属有机框架具有巨大的潜力，为定制具有新功能的材料带来了以前无法预见的机会。”    

受中国古代哲学家庄子思想启发

金属有机框架（Metal-Organic Framework, MOF）是一种由金属离子或金属团簇与有机配体通过配位键自组装形成的晶态多孔材料。它们的晶体结构包含巨大的化学空间，气体和其它化学物质可以在其中自由流动。MOF的最大特点是其惊人的比表面积——仅仅一克材料的内部表面积就能达到6000平方米，超过一个足球场的面积。这种多孔特性使MOF成为“会呼吸的材料”。     

在科学价值方面，MOF代表了分子工程学的重大突破。通过改变金属离子和有机配体的组合，化学家可以像搭积木一样，精确设计材料的孔径和功能。这种可定制性使MOF成为化学领域的“万能工具箱”，为材料科学带来了前所未有的设计自由度。

理查德·罗布森（Richard Robson）教授在1989年将带正电的铜离子与一个四连接有机分子结合，组织成一个秩序井然、充满空腔的晶体结构。就像钻石中的碳原子一样，它们形成了规整的晶体，但与致密钻石不同，这种晶体含有大量孔道结构。奥马尔·亚基（Omar M. Yaghi）教授在1995年发表了两种不同二维材料的结构，并创造了“MOF”这一名称。然而，理查德·罗布森教授的结构相当脆弱，容易散架。许多化学家认为它们毫无用处，但北川进（Susumu Kitagawa）教授和奥马尔·亚基教授看到了这些发现的潜力。北川进教授的科研生涯遵循着“无用之用”的原则。他年轻时阅读诺贝尔奖得主汤川秀树的著作，了解到中国古代哲学家庄子关于“无用之用”的思想。即使某物不能带来直接的好处，但它仍可能被证明是有价值的。因此，当北川进教授开始研究多孔分子结构，他并不认为它们必须有立即可见的用途。1997年，北川进教授取得了关键突破。他的研究小组使用钴、镍或锌离子和4，4′-联吡啶分子，创造出了具有开放通道的三维MOF。当他们将其中一种材料彻底干燥后，它依然稳定，并且可以吸收和释放甲烷、氮气和氧气，而形状保持不变。1999年，奥马尔·亚基教授研发出MOF-5，这是一种极其稳定且空间巨大的框架，获得超过2000平方米每克的比表面积。以此为基础，奥马尔·亚基教授和北川进教授等团队继续扩展MOF家族，创造出数万种变体，并应用于气体储存和分离、催化、传感、医疗和环境等各个方面。

MOFs就像用乐高积木搭建一个无限延伸的立体网格，其内部是中空的就形成了无数的“房间”，它们提供了巨大的内部表面积，仅仅几克重的MOF材料，其内表面积展开后可媲美一个足球场。

持续推动产业发展格局深刻变革

MOF作为一类“分子级乐高”材料，并非仅局限于实验室阶段的创新性研究成果，已在解决人类面临的多项重大挑战性问题中展现出实际应用价值，并为前沿高科技产业的发展拓展了广阔的应用空间。

在水资源利用领域，极端干旱区域的地表水资源极度匮乏，而MOF可依托高效的空气取水机制从空气中选择性吸附水分子，即便在沙漠等极端干旱环境下，仍能实现饮用水的稳定制备，为水资源短缺地区的供水难题提供了创新性解决方案。在应对气候变化领域，MOF 发挥着关键支撑作用。其具备优异的二氧化碳选择性吸附性能，可高效捕获电厂等工业排放源释放的二氧化碳，吸附效率显著优于传统碳捕获材料，为推动“双碳”目标落地提供了重要技术路径。

在环境治理领域，针对难降解污染物与抗生素残留等关键治理难题，特定结构的MOF可通过精准的分子识别与筛分机制，实现此类污染物的高效去除，显著提升水体净化效果。在高新技术产业领域，MOF更是扮演“多功能核心功能材料”的关键角色。

在能源领域，该领域长期受限于储能与输运技术瓶颈——例如，氢能汽车的氢存储，传统上依赖高压储氢罐，存在安全风险与操作复杂度高的问题，而MOF可在常温常压条件下实现氢气的高效存储，同时能显著提升天然气输运效率，为清洁能源规模化推广奠定重要基础。

在生物医药领域，基于MOF构建的“纳米药物载体系统”具备精准靶向递送能力，可实现抗癌药物向肿瘤细胞的靶向递送与可控释放，有效降低化疗对正常细胞的毒副作用，显著提升患者治疗耐受性与生活质量。

在高端制造领域，MOF的应用价值同样突出。基于柔性MOF构建的传感器件，一方面可通过吸附水果释放的催熟气体（如乙烯）延长农产品保鲜周期，另一方面能在半导体制造环境中实现有毒气体的实时检测，保障生产环境安全。

从未来发展前景来看，MOF的应用潜力仍有极大挖掘空间。其具备“按需定制”的结构可设计性，通过调控金属中心节点与有机配体的结构，可实现对材料孔径尺寸、功能位点的精准调控，进而开发出适配环保、能源、生命健康等特定领域需求的专用功能材料，推动化工产业向绿色化、精准化方向转型。更值得关注的是，MOF的研发正与人工智能（AI）、超级计算等前沿技术深度融合，传统研发周期长达数年的新型MOF材料，如今可通过计算辅助设计实现高效开发。综上，MOF正逐步发展为21世纪科技进步的标志性功能材料之一，持续推动人类社会尤其是人类生活方式与产业发展格局的深刻变革。

（本文编辑：朱广清）