2025年諾貝爾化學獎：分子架構學的勝利與金屬有機骨架的突破

2025年諾貝爾化學獎的頒發，標誌著材料科學領域一項根本性突破獲得了全球認可。獲獎者為須藤 喜多川（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）和奧馬爾·M·亞吉（Omar M. Yaghi）這三位傑出科學家。他們因開發「金屬有機骨架」（Metal-Organic Frameworks, MOF）而共同獲此殊榮。MOF是一種能在奈米尺度上操控物質的新型材料，為物質管理開闢了嶄新的視野。MOF的分子結構令人驚嘆，其特點是擁有廣闊的內部空腔，使其能夠選擇性地吸收、捕獲或釋放氣體及其他化學化合物。由於其巨大的內部表面積，這些結構被形象地稱為「分子海綿」，在複雜的物質分離和儲存任務中扮演著不可或缺的角色。

理查德·羅布森教授在1989年奠定了這一領域的基礎，他首次將銅離子與具有四個「手臂」的有機分子結合，創造出有序的晶體結構。然而，這些早期的樣品存在強度不足和容易崩解的缺陷。真正的轉捩點發生在1992年至2003年間，當時須藤 喜多川與奧馬爾·M·亞吉成功地穩定住了這些原本脆弱的架構。他們的關鍵成就展示了氣體可以自由進出這些骨架，這證實了MOF的彈性，並證明可以透過有目的的設計來進行精確調整。來自京都大學的喜多川教授、加州大學柏克萊分校的亞吉教授，以及來自墨爾本大學的羅布森教授，共同開發了使MOF具備實際應用價值的方法。例如，在亞吉的實驗室中，他們成功合成了MOF-5，該材料以其極大的孔隙體積和高穩定性而著稱。

諾貝爾委員會強調，這些結構為創造具有特定功能的材料提供了前所未有的可能性。委員會主席海納·林克（Heiner Linke）將MOF的潛力比作《哈利波特》中「妙麗的手提包」，能夠在極小的體積內容納大量的氣體。這些科學家的貢獻為化學家們提供了應對全球緊迫挑戰的工具。MOF的實際應用範圍極為廣泛，是發展「綠色」技術的基石。這包括從稀薄的沙漠空氣中高效提取水分（例如，MOF-303材料可在夜間收集水蒸氣），到捕獲二氧化碳和安全儲存氫氣。此外，這些材料對於分離輕質碳氫化合物混合物也極具前景，這對石油和天然氣產業至關重要；它們還可用於藥物遞送，甚至透過吸收乙烯氣體來延緩水果成熟。研究同時揭示了它們在催化作用和感測器方面的巨大潛力。

儘管取得了巨大的成功，但在全面推廣應用方面仍存在工程挑戰，例如如何確保在吸收/釋放循環中的耐久性以及如何實現大規模生產。然而，一些研究人員認為，這些骨架有望成為二十一世紀的關鍵材料，透過碳捕獲與儲存技術，為應對氣候變遷提供解決方案。三位獲獎者共同分享了1100萬瑞典克朗的獎金。對於獲得如此崇高的榮譽，他們的反應相對內斂：喜多川教授表示驚訝，羅布森教授提到了隨之而來的混亂所帶來的困難，而亞吉教授則簡潔地評論道，面對這樣的時刻是無法準備的。他們的共同努力不僅徹底改變了材料化學，更為人類塑造一個更具永續性的未來提供了強大的槓桿，讓結構中看似虛無的空隙成為巨大機遇的源泉。