诺贝尔化学奖与MOF的开创性贡献 - 2025年诺贝尔化学奖授予北川进、理查德·罗布森和奥马尔·亚吉，表彰其在金属有机框架材料开发方面的开创性贡献 [1] - 科学家已能设计出数以万计的不同MOF，其内部拥有大量空腔，分子可在其中自由进出 [1] 理查德·罗布森的开创性研究 - 1974年，理查德·罗布森在制作分子模型时产生灵感，设想让原子或分子像拼积木一样自连接以构建新分子建筑 [2] - 其灵感来源于钻石中每个碳原子与其他四个碳原子连接形成金字塔状的结构 [3] - 1989年，罗布森将带正电的铜离子与四臂分子结合，成功合成自组装的三维晶体结构，内部有大量空腔，并在《美国化学会志》上发表成果，预言这类分子网络将赋予材料前所未有的性质 [2] - 后续研究合成出多种含空腔的分子网络，证明结构内部离子可互换，物质可进出，材料可用作催化剂，尽管早期材料脆弱易分解 [5] 北川进的突破性进展 - 20世纪90年代，北川进秉持“要看到无用之物的用处”的信条进行研究 [6] - 1992年构建出二维分子材料，分子间形成可容纳丙酮分子的空腔，代表全新的分子设计思维 [6] - 1997年，团队使用钴、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，去除水后孔洞仍稳定，可吸附释放甲烷、氧气、氮气等气体而不变形 [7] - 北川进定义了MOF的科学基础，指出其可由多种金属和有机分子构建，功能可定制，材料柔韧能如呼吸般吸附释放气体 [7] 奥马尔·亚吉的命名与拓展 - 1995年，奥马尔·亚吉正式提出“金属有机框架”这一名称，定义了由金属节点和有机配体组成、具有规则空腔的晶体结构 [8] - 1999年研发出MOF-5，具有立方体结构，极其稳定且在300℃高温下不会坍塌，几克MOF-5的内部总面积相当于一个足球场，远超传统沸石，能吸附更多气体 [11] - 团队扩展MOF家族，创造出十几种变体，用于储存甲烷、捕获二氧化碳，并在沙漠中利用MOF实现“空中取水”，夜晚吸附空气水汽，白天经太阳加热释放液态水 [11] MOF的当前应用与未来潜力 - 目前MOF被用于碳捕集、空气净化、药物递送、能源存储及半导体制造中捕捉或分解剧毒气体等众多前沿领域 [15] - 科学家认为MOF潜力巨大，有望成为“21世纪的材料”，为解决能源、环境与健康等重大问题提供新途径 [15]