为何说2025化学诺奖的MOF技术应用很可能会在中国先落地?(为什么说化学是21世纪的中心学科)

为何说2025化学诺奖的MOF技术应用很可能会在中国先落地?(为什么说化学是21世纪的中心学科)

·“中国拥有这么大的市场基础,同时在绿色科技与碳中和目标上始终保持高标准与坚定投入,因此,这项技术很有可能率先在中国落地。”2011年至2015年在奥马尔·亚吉实验室从事博士后研究、现为上海科技大学2060研究院副院长章跃标说。

北京时间10月8日17时45分,2025年诺贝尔化学奖揭晓。瑞典皇家科学院(The Royal Swedish Academy of Sciences)决定将奖项授予北川进(Susumu Kitagawa),理查德·罗布森(Richard Robson),奥马尔·亚吉(Omar M. Yaghi),以表彰三位科学家在金属有机框架材料(MOF, Metal-Organic Framework)的开发方面作出的贡献。三位获奖者将平分1100万瑞典克朗(约合836万元人民币)奖金。

北川进(Susumu Kitagawa)于1951年出生于日本京都,1979年获得日本京都大学博士学位,现任日本京都大学教授,也是日本第27个自然科学奖得主(含三位美籍),就在10月6日,大阪大学教授坂口志文荣获2025诺贝尔生理学或医学奖。

奥马尔·亚吉于1965年出生于约旦安曼。1990年获得美国伊利诺伊大学香槟分校博士学位,现为美国加州大学伯克利分校教授。由于其杰出的研究成果,亚吉教授曾于2018年获得沃尔夫化学奖,该奖项素有“诺贝尔奖风向标之称。”

理查德·罗布森,1937年出生于英国格勒斯本,1962年获得英国牛津大学博士学位,现为澳大利亚墨尔本大学教授。

诺贝尔化学奖委员会主席海纳·林克(Heiner Linke)表示:“金属有机框架具有巨大的潜力,为量身定制、具有新功能的材料带来了前所未有的可能性。”

“我们每一年都会期待MOF技术拿诺奖,今年拿到奖是众望所归。”10月8日,上海科技大学2060研究院副院长章跃标在接受澎湃科技采访时表示。2011年至2015年期间,章跃标在奥马尔·亚吉门下从事博士后研究。与章跃标同门,曾是奥马尔·亚吉博士生的复旦大学化学系教授、博士生导师李巧伟告诉澎湃科技,金属有机框架这一概念距今已有30年的发展,今年诺贝尔化学奖颁发给三位科学家“实至名归”。

MOF为何被视为颠覆性创新?

什么是金属有机框架(MOF)?

章跃标告诉澎湃科技,这种材料是由金属中心和有机配体共同组成的结构,可以把它想象成一个“纳米级建筑”:有机分子像“支柱”,金属离子则作为“连接节点”,共同搭建出一个具有连通空间的三维框架。

正因为这种结构在分子尺度上创造出了“空间化学(Chemistry of Space)”——即能够在纳米空间中,让晶体或小分子在其中有序排列与运动,从而实现针对客体分子等的吸附、储存、分离与转化等多种功能。

时间回到1989年,理查德·罗布森(Richard Robson)尝试以一种全新的方式利用原子的固有属性。他将带正电的铜离子与一个四臂分子结合在一起,这种分子的每个“臂”的末端都有一个化学基团,可以吸引铜离子。当它们结合在一起时,它们结合形成了一个结构有序、空间宽阔的晶体——就像一块充满无数空腔的“分子钻石”。当时,几乎没人相信可以用有机化学的方式做出像晶体一样稳定的结构。

罗布森立即意识到了这一分子结构的潜力,但它并不稳定,容易坍塌。随后,北川进和奥马尔·亚希为这种构筑方法奠定了坚实的基础。

1995年,奥马尔·亚吉首次系统提出金属有机框架(MOF)这一概念。那一年,他发表了行业内具有奠基性论文《含大矩形孔道的金属有机框架的水热合成》(“Hydrothermal synthesis of a metal–organic framework containing large rectangular channels”),他们通过水热反应构筑出具有规则且稳定孔道结构的 MOF 晶体,展示了这种新型材料的“可设计性”和“永久孔隙性”,标志着 MOF 研究领域的开端。

北川进在20世纪90年代提出并实验证明,气体分子能够可逆地进入并流出金属有机框架结构中,从而揭示其“可呼吸”的多孔性;他同时预测并验证了 MOF 可以具有柔性(breathing behavior),即在吸附或释放分子时结构会发生可逆变化。

根据诺贝尔奖官网,继三位获奖者的突破性发现之后,化学家们已构建出数以万计种不同类型的 MOF。其中一些可能有助于解决人类面临的一些重大挑战,其应用范围包括从水中分离全氟辛烷磺酸 (PFAS)、分解环境中的痕量药物、捕获二氧化碳或从沙漠空气中获取水。

MOF应用最有可能在中国先落地

奥马尔·亚吉是金属有机框架和共价有机框架(Covalent Organic Framework, COF)等相关领域的开拓者和奠基人,在功能多孔材料的合成及其应用方面(如氢气、甲烷储存,二氧化碳捕集,气体分离,水捕集)做出了开创性的贡献,掀起了MOF、COF等方面的研究热潮。

李巧伟向澎湃科技表示,奥马尔·亚吉是一位值得敬佩的老师,非常重视基础研究。他博士毕业后至今仍与导师保持非常好的互动关系,也会邀请他来复旦做讲座。

章跃标于2011年至2015年在美国加州大学伯克利分校从事博士后研究。他告诉澎湃科技,合作导师奥马尔·亚吉教授是一位非常有人格魅力的科学家,他的研究团队也非常欢迎中国科研人员加入。

“他对我们说的最多一句话是Work Harder(努力工作),特别是最近几年时间觉得人的生命非常短暂,有梦想一定要尽快实现。”章跃标说。

他认为,这次获奖并不是终点,而是一个新的起点。不仅让公众重新关注这种新型材料的价值,未来也可能会有更好的商业应用。

章跃标说,相比传统的多孔材料(如以二氧化硅和氧化铝为主的沸石),金属有机框架(MOF)中引入了有机成分,因此不少人最初认为它的成本会更高。但事实证明,这一担忧是可以克服的,研究者可以选择价格低廉的有机配体,并通过大规模合成来降低生产成本。同时,借助无溶剂、绿色工艺,还能进一步提升生产效率和可持续性。因此,从技术路径上看,MOF的规模化生产完全可行。另一方面,MOF的潜力还在于它能够创造高于成本的应用价值,具备良好的商业化前景。

章跃标认为,未来MOF相关研究将逐步走向工业化与实际应用阶段,尤其是在中国。凭借完整的供应链体系和成熟的『工程师』团队,这类技术有望率先在中国实现落地与规模化应用。“中国拥有这么大的市场基础,同时在绿色科技与碳中和目标上始终保持高标准与坚定投入,因此这项技术最有可能在中国落地。”章跃标说。

化学正变成万物之交点

2025年诺贝尔化学奖曾被认为“最难预测”的奖项,此前英国皇家化学学会旗下的《化学世界》认为,今年曾被认为最有可能获奖的三个方向是:单原子催化、绿色电池以及生物分子凝聚体。

科普达人、美国康奈尔大学全奖物理化学博士包坤认为,诺贝尔奖委员会其实非常清楚地反映一个事实,即化学不再是一个“独立的学科”,而是连接一切科学的桥梁。比如,材料科学要靠化学设计分子;生物科学要靠化学理解生命反应;AI科学也要靠化学模拟现实世界的能量、结构、反应。

这就是近几年会看到DNA🧬结构发现拿化学奖,电池、晶体管拿化学奖,蛋白质结构预测、催化AI模型入围预测名单。在科学的演化中,化学正变成万物之交点。诺贝尔奖每年选的焦点,其实在映射“人类正在往哪个方向理解世界”。

自1901年以来,诺贝尔化学奖共颁发过116次,共有195位获得过诺贝尔化学奖。获得化学奖年龄最小的人是弗雷德里克·约里奥(Frédéric Joliot),获奖时 35 岁,年龄最大的人是约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough),获奖时 97 岁。

近三年诺贝尔化学奖获奖情况:

2024年,诺贝尔化学奖授予三位科学家,一半授予美国华盛顿大学的大卫·贝克 (David Baker),以表彰其在计算蛋白质设计方面的贡献,另一半则共同授予英国伦敦人工智能公司谷歌DeepMind公司的丹米斯·哈萨比斯(Demis Hassabis)和约翰·乔普(John M. Jumper),以表彰其在蛋白质结构预测方面的贡献。

2023年诺贝尔化学奖授予美国麻省理工学院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、美国哥伦比亚大学教授路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)和美国纳米晶体技术公司前首席科学家阿列克谢·伊基莫夫(Alexei Ekimov),以表彰他们在发现和合成量子点(quantum dots)方面作出的贡献。

2022年诺贝尔化学奖授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西(Carolyn R. Bertozzi)、丹麦化学家摩顿·梅尔达尔(Morten Meldal)和美国化学家卡尔·巴里·夏普利斯(K. Barry Sharpless),以表彰他们在点击化学和生物正交化学研究方面的贡献。

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