诺贝尔化学奖：为化学打开新的空间

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在干旱的沙漠地区提取水源、过滤空气中的有害化学物质以及将药物输送到身体其他难以触及的部位，这些都离不开微小多孔晶体化合物。它们能够吸收并部分分解气体和其他分子。

今年诺贝尔化学奖颁给了“填补空白”的化学材料研究学者Richard Robson, Susumu Kitagawa und Omar Yaghi 。诺贝尔奖委员会称，他们的材料研发取得了重大进展，为化学创造了新的空间。

具有捕获二氧化碳和吸收有害环境化学物质的潜力。

“化学建筑师”

水、岩石、金属，以及人类基因和高度复杂的分子……宇宙的全部物质仅由有限数量的化学元素组成。它们构成了我们所知的一切。

今年的诺贝尔化学奖得主利用化学手段构建了全新的材料。一种具有大空腔的金属有机结构，类似于非常稳定的海绵。



柏林工业大学无机化学教授 Matthias Drieß 解释，“就像建造房屋时需要用到各个组件。”可以将三位获奖者构建比作建造房屋的框架。框架的拐角由金属原子构成，而连接部分则由长度不一的有机材料制成。Drieß介绍道，“这很巧妙：我可以把分子存储在这种结构中。然后再次取出它们，用于靶向化学反应。”


就像赫敏的手提包

英国科学家Richard Robson在开发这些金属有机构架（MOF）方面做出了开创性的工作。他1974年在澳大利亚墨尔本大学任教时，就提出了带有空腔的分子结构的想法。其灵感来自金刚石的晶体结构，金刚石中的碳颗粒以规则的图案排列。他没有采用碳，而是提出了将铜原子和有机分子以类似的方式组合在一起的想法。这样就能形成巨大的空腔。

Robson的材料还是不稳定，基本构件经常断裂。但他的想法引起了轰动。20世纪90年代末，日本科学家Susumu Kitagawa(北川进)成功构建了一种稳定的分子框架，其空腔可以填充甲烷或氧气等气体。

约旦科学家Omar Yaghi在20世纪90年代对这类结构进行了改进。他用一种铜钴化合物(MOF-5)取得了里程碑式的成就，这种化合物如今被认为是该领域的经典之作。只有方糖大小的一小部分，却拥有一个足球场大小的表面积。



像MOF-5这样的材料非常适合吸收大量气体和其他分子。诺贝尔化学奖委员会主席Heiner Linke解释,“它就像《哈利·波特》里赫敏的手提包——里面很大，但外面只有一块方糖那么大，”


神奇的“化学海绵”

尤其值得关注的是，诺贝尔奖得主们开发的结构可以进行特定修改。根据所使用的基本构件、排列方式和腔体大小，它们可以捕获特定的气体或分子，有时甚至可以对其进行化学降解。

Yaghi 和他的团队成功创造了一种能够从空气（哪怕是干燥的沙漠空气）中捕获水分子的结构。这对于饮用水的生产至关重要。目前正在进行很多用于环境保护领域的相关结构研究，例如，它们可以吸收废物中的稀土元素、降解石油泄漏，以及过滤水中的 PFAS 等多年生化学物质。如果这些晶格结构经过设计，能够在特定的温度或 pH 值下释放活性成分，它们还可以用于药物的靶向输送。

此外，有关过滤工业废气中破坏气候的二氧化碳的测试也在研究之列。诺贝尔化学奖委员会主席Heiner Linke充满期待地说，“我们的梦想是能够大规模地进行这项工作，回收二氧化碳，甚至可能在未来某个时候减少空气中的二氧化碳含量，”

但这些材料目前大多仅小规模使用。但许多公司正在投资，致力于让它们为人类所用。

Robson、Kitagawa 和 Yaghi 的研究不仅改变了化学，也为 21 世纪的一些重大挑战提供了解决方案。无论是气候变化、水资源短缺还是环境污染，他们开发的 MOF 材料都为解决这些问题开辟了新的可能性。