2025 年諾貝爾化學(xué)獎因一無所有而獲得

三位科學(xué)家已獲獎2025 年諾貝爾化學(xué)獎，以發(fā)現(xiàn)一種新的分子結(jié)構(gòu)形式：包含大空腔的晶體。

北川進(jìn)來自日本京都大學(xué)，理查德·羅布森來自澳大利亞墨爾本大學(xué)和奧馬爾·亞吉來自美國加州大學(xué)伯克利分校，將分享1100萬瑞典克朗（87萬英鎊）的獎金。

該獎項旨在表彰三位科學(xué)家在開發(fā)金屬有機(jī)框架 （Mofs） 方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

Mofs 是一類多樣化的晶體材料，由于其結(jié)構(gòu)中存在微觀開放空腔，在化學(xué)中引起了廣泛關(guān)注。他們正在幫助徹底改變綠色技術(shù)，例如從沙漠空氣中收集水和捕獲二氧化碳。

空腔的寬度范圍從幾埃（埃是等于一億分之一厘米的長度單位）到幾納米（百萬分之一毫米）。這意味著它們太小了，無法用肉眼甚至大多數(shù)形式的顯微鏡看到。但它們的尺寸非常適合容納各種分子。

Mofs 的發(fā)展可以追溯到 1950 年代后期，當(dāng)時研究人員開始發(fā)現(xiàn)“配位聚合物”.這些材料由金屬離子（失去或獲得電子的原子）和稱為連接子的碳基橋接分子組成。

這些材料不含空腔，但它們基于后來產(chǎn)生 Mofs 的相同金屬有機(jī)化學(xué)。

在 1980 年代后期，Robson 的研究小組報告說，一些配位聚合物可以制備為類似框架的結(jié)構(gòu)，其中至關(guān)重要的是，碳基連接劑在液體溶劑分子簇周圍形成三維排列。

正如羅布森的研究文章，這揭示了“一種不尋常的情況，其中大約三分之二的晶體內(nèi)容物實際上是液體”。

在 1990 年代中后期，Yaghi 的團(tuán)隊證明，即使在溶劑分子從空腔中取出后，也可以制備出保留其結(jié)構(gòu)的配位聚合物。

這是一個令人驚訝的結(jié)果，它消除了普遍的假設(shè)，即這種框架很脆弱，如果去除溶劑就會崩潰。

1997年，北川的研究小組表明，開放的空腔可以用來吸收氣體分子。他還表明，在許多情況下，框架本身會隨著氣體分子被吸收而膨脹，并在釋放時收縮。這些具有永久開放型腔的配位聚合物后來被稱為 Mofs。

這三位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)有效地標(biāo)志著現(xiàn)代 Mof 化學(xué)的誕生，此后發(fā)表了數(shù)千篇關(guān)于他們的研究文章。

應(yīng)用范圍廣

為什么 Mofs 對化學(xué)家如此有趣？Mofs 內(nèi)的微觀空腔為化學(xué)發(fā)生提供了一個獨特且可控的位置。

Mofs 的主要應(yīng)用是儲氣。在許多情況下，這些材料可以將氣體保持在比自由氣態(tài)高得多的密度。

這為燃料電池動力汽車等綠色技術(shù)提供了顯著優(yōu)勢，在這些技術(shù)中，氫燃料必須盡可能高效地運(yùn)輸。

許多 Mof 對特定氣體特別有效，這意味著它們還可以幫助分離廢氣流中的氣體混合物或從空氣中捕獲二氧化碳，以減輕全球變暖的影響。

Mofs 還可以作為空腔中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的有效催化劑。Mofs 作為催化劑的主要優(yōu)勢之一是，化學(xué)家可以相對簡單地切換和交換金屬和碳基連接劑，以便針對特定目的調(diào)整性能。

除了氣體分子，Mofs 還可以容納其他小分子，例如藥物。這意味著它們可用于儲存藥物并將其輸送到特定目標(biāo)，其中它們的多孔性質(zhì)允許控制治療化學(xué)物質(zhì)的釋放。

近年來，Mofs 在許多其他應(yīng)用中顯示出前景，包括電池、熱能存儲和化學(xué)傳感器（可以監(jiān)測和檢測污染物等化學(xué)品的設(shè)備）。令人興奮的是，還有許多其他應(yīng)用有待探索。

盡管 Mofs 在三十多年前就被發(fā)現(xiàn)，但它仍然是材料化學(xué)領(lǐng)域最熱門的研究領(lǐng)域之一，并且無疑將在未來許多年內(nèi)如此。

約翰·格里芬， 材料化學(xué)教授，蘭卡斯特大學(xué)

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