2025年诺贝尔化学奖授予日本京都大学教授北川进（Susumu Kitagawa）、澳大利亚墨尔本大学教授理查德·罗布森（Richard Robson） 和美国加州大学伯克利分校教授奥马尔·M·亚基（Omar M. Yaghi），以表彰三人在“金属有机框架”（metal-organic frameworks, MOFs）领域的卓越贡献。
这象征着化学领域跨越了一个时代：从过去依赖偶然与经验的材料发现，走向理性与精准设计的“定制”时代。MOFs不仅是化学领域的重大进展，也是人类面对气候变迁、水资源短缺等环境难题时，一把至关重要的科学钥匙。
让材料“呼吸”的化学革命
在很长一段时间里，化学家在实验室里合成材料，就像在微观世界的薄雾中摸索前行。金属与有机分子的结合会形成怎样的结构？往往难以预料，实验结果充满不确定性。
1989年，澳大利亚墨尔本大学的罗布森大胆借用数学中的“拓扑学”概念，将金属中心视为“节点”，把有机分子设想为“连接体”，如同搭建乐高积木一般，通过几何逻辑“预先规划”材料的骨架结构。化学首次具备了“先画图、再建造”的能力，材料的生成从过去的“随机试错”，转向“按需设计”。罗布森由此为MOFs奠定了方法论基础，让化学家能够更清晰地理解材料的构筑逻辑。
早期MOFs仍面临一个难题：一旦孔隙中的溶剂被移除，原本规整的框架往往塌陷。1997年，京都大学的北川进实现了关键突破。他成功开发出在脱除溶剂后仍能保持稳定的MOFs，并提出具有深远影响的概念——“软多孔晶体”（soft porous crystals）。这些晶体不同于传统刚性固体，而是呈现出类似“呼吸”的可逆柔性：吸附特定气体时，框架会轻微膨胀；气体释放后，又能恢复原有形态。
这种“呼吸行为”赋予材料前所未有的选择性。面对不同大小或极性的气体分子，框架可以通过微小的结构变化进行识别与分离——为高精度捕获二氧化碳等温室气体提供了物理基础。北川进向化学界展示出一个新的可能：晶体不仅可以稳定，也可以具备可调节的结构响应能力。
构建分子积木库调控材料
亚基将MOFs推向真正的“工程时代”。他提出“网状化学”（reticular chemistry），强调通过强健、稳定的化学键，把分子构件按照设计图有序拼接。亚基构建了一个庞大的“分子积木库”。通过改变连接体长度、引入功能团或置换金属节点，就像更换积木零件一样，可以精准调控材料的孔径与化学性质。这种“模块化”理念显著加快材料开发速度，使MOFs成为真正可规模化、可工程化的平台。
亚基创立的这种方法，不仅将金属与有机分子按照设计图组装成坚固的多孔晶体材料，还能有效控制氢气、甲烷、二氧化碳和水分子，实现储存、分离和利用。例如，MOFs在低温高压下可储存12%重量的氢气；常温常压下可储存三倍甲烷；化学修饰后的材料可高效捕集二氧化碳。
在碳捕获方面，传统方法如醇胺吸收法耗能高、成本大，而MOFs通过弱化学吸附或物理吸附选择性抓取二氧化碳。利用孔道中的氨基或金属位点，MOFs在复杂烟气中精准捕获二氧化碳，释放时只需轻微调节温度或压力，大幅降低能源消耗，使碳捕获更具经济可行性。
在取水方面，全球三分之一人口生活在缺水地区。亚基团队设计的MOF-303等新型结构，孔径恰到好处，使水分子在低湿度环境中形成氢键簇，夜间吸水、白天利用阳光即可获得干净饮用水。该技术在沙漠环境中已被证明高效稳定，可显著改善干旱地区的用水条件，水质远超美国饮水标准。
亚基出生于约旦安曼的巴勒斯坦难民家庭，对改善资源匮乏地区生活深有体会。他不仅开创了新材料科学领域，也将成果致力于清洁能源、空气和水资源管理。正是基于这些对全球可持续发展的关键贡献，他获得了2024年唐奖（Tang Prize）的永续发展奖。
AI让化学家成为数据科学家
MOFs的结构组合几乎无限，传统依靠“穷举实验”的方法，已无法应对气候危机带来的紧迫挑战。过去10年，亚基团队将人工智能引入实验室核心环节：算法在数百万种假设结构中筛选最优方案，预测热力学行为，实验不再是盲目尝试，而成为精准验证。这种“计算引导合成”的模式，将新材料研发周期从数年压缩到数月，使化学家不仅是实验者，也成为数据科学家。
从罗布森的拓扑学蓝图，到北川进赋予晶体“呼吸”，再到亚基的数据驱动网状化学，这30年的探索汇聚出一条清晰的道路——微观世界的秩序重建，可以成为修复宏观失衡的支点。在资源紧缩、气候剧变的时代，MOFs不仅象征分子建筑的优雅，更承载着对未来的决心。或许，下一章的可持续发展，就在这些肉眼不可见的微小孔隙中悄然展开。
