忠泰策略
作者 | 朱秋雨
编辑 | 向现
"最化学的化学奖"，10 月 8 日，2025 诺贝尔化学奖分别颁布给了来自日本、澳大利亚、美国的三位科学家，以表彰他们在金属有机框架（Metal – Organic Frameworks, MOFs）材料开发方面做出的贡献。
这是一个在化学研究中不算小众的领域。事实上，从 1980 年代开始，MOFs 已经在各国科学家的努力下获得突破。三位诺奖获得者理查德 · 罗布森（Richard Robson）、北川进（Susumu Kitagawa）与奥马尔 · 亚吉（Omar M. Yaghi）分别是在 1989 年、1992 年、1995 年在 MOFs 领域做出突破。
三位诺奖获得者理查德 · 罗布森（Richard Robson）、北川进（Susumu Kitagawa）与奥马尔 · 亚吉（Omar M. Yaghi）分别是在 1989 年、1992 年、1995 年在 MOFs 领域做出突破
个人经历上，奥马尔 · 亚吉的故事尤其曲折。这位被学界称为" MOF 之父"的世界顶级化学家，却有着一个非常贫瘠的出身。1965 年，奥马尔 · 亚吉出生在约旦安曼，在一个从巴勒斯坦逃亡的难民家庭里长大。父母总共养育了 9 个孩子，11 口人挤在沙漠里一个没有电和自来水的房间里。那时，全家唯一水源，便是政府每隔两周供应的自来水。
奥马尔曾回忆，当时，每隔两周的自来水一来，家人会把家里所有的容器都拿去接水。
回想起来，这一幕让他感慨干旱地区的水有多珍贵，这同时促进了 MOFs 的一大应用场景的产生——到沙漠中收集饮用水。
奥马尔 · 亚吉 / 图源：UCLA
如今，化学家们已设计出数以万计的 MOFs，它们被用于碳捕集、空气净化、能源存储等众多前沿领域。在半导体制造中，也有 MOFs 被用于捕捉或分解生产过程中产生的剧毒气体。
正如诺奖颁奖词所说："金属有机框架具有巨大的潜力，为定制化的新功能材料带来了前所未有的可能性。"
积木的奥秘
提到化学家的工作，爱看剧的人或许会想到美剧《绝命毒师》。剧中的沃尔特 · 怀特 ( 老白），一般穿着白色实验大褂，在装着各类液体和粉末的瓶瓶罐罐之间来回捣鼓，把各类元素放入烧杯或者试管里，等待化学反应，最后生成、提纯出一些新物质。
比如，老白爱提纯的毒品。
这确实是很长一段时期里的现实。1990 年代之前，化学家们已经能精确地合成"零维"的结构——也就是单个分子。实验高手能组装出高度复杂的化合物。然而，如何在人造条件下控制性地合成二维甚至三维的扩展结构，却是化学界的空白。
诺贝尔奖得主罗德 · 霍夫曼（Roald Hoffmann）曾感叹："在二维或三维世界里，这仍是一片合成的荒原。"
墨尔本大学的化学家理查德 · 罗布森率先动手了——灵感来源于钻石的结构。1980 年代，他提出一个大胆设想："是否可以用有机分子作‘支架’，与金属离子配位，从而造出一个规则、可预测的三维晶格？"
一个更简单的理解版本是：如果化学材料能像"拼积木"一样，让原子或分子依照其化学特性自行连接，一座由分子积木搭成的宫殿就形成了。这座"分子宫殿"可以被设计，形成具有规则孔洞结构的合成材料。
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理查德 · 罗布森的灵感来自钻石的结构，其中每个碳原子都与另外四个碳原子相连，形成金字塔状。他没有使用碳，而是使用了铜离子和一个带有四条臂的分子，每条臂的末端都有一个腈基。这是一种能被铜离子吸引的化合物。当这些物质结合时，它们形成了一个有序且非常宽敞的晶体。©Johan Jarnestad/ 瑞典皇家科学院
罗布森参考了钻石的微观结构，将带正电的铜离子与四臂有机分子相结合。但是，这一举动被当时多数化学家不解，他们相信，铜离子与四臂分子结合只会形成杂乱无章的混合物。
但结果验证了罗布森的预想：金属离子与有机分子间的内在引力主导了组装过程，它们自行排列出了与钻石类似的规整的晶体结构。但不同于钻石的是，这种晶体内部并不是致密的，而是蕴含着宽敞的空腔，就像一座搭着脚手架的建筑一样，中间有巨大的、规律的空隙。
1989 年，罗布森在《美国化学会志》上发表成果，首次提出这类分子网络的潜力，预言它们将赋予化学材料前所未有的性质。
不过，罗布森的发现在当时没得到认可。他的初期构造物稳定性欠佳，较易分解，许多化学家认为，这是无用之作。
有相似想法的人属于小众群体。这类人的共同点是，都对主流观念怀有质疑和批判的视角。
理查德 · 罗布森 / 图源：墨尔本大学
1992 年，当难民家庭出身的奥马尔来到美国亚利桑那州立大学，开始做他主导的第一个研究时，他也打算走蹊径，用"积木"原理制造大型晶体。
原因很简单，奥马尔记得，以前的化学实验，制备延展结构的过程被戏称为"摇晃和烘烤"方法。化学家会将起始材料加热到极高的温度（通常超过 500°C），接下来的工作就是等待，等待运气的垂青，获得好的实验结果。
而奥马尔想的是，他要找到更可控的方法来创造材料。"（以前）一旦制成后无法进行有意义的修改。这种缺乏精确性（的过程）让我感到沮丧。我想创造具有特定的、可预测形态的延展结构。"就像建筑家一样，他希望使用理性设计，像搭积木一样连接不同的"模块"。
他野心勃勃的想法仅仅在 3 年后就得到认证。1995 年，奥马尔发表了两种不同的二维材料的结构：它们像网一样，由铜或钴连接在一起。重要的是，这一研究发现了发现了将过渡金属离子与带电的羧酸盐连接体连接的反应条件，从而形成了强金属 - 连接体键。这一突破带来了结晶的扩展结构，开启了固态结构制造的新纪元。
奥马尔 · 亚吉 / 图源：清华大学
还是以建筑做类比。在"分子建筑"里，金属离子相当于"房梁立柱"（节点），有机分子则是"连接框架"，也就是建筑的钢筋。有了节点和钢筋，经过人类精心设计后，它们共同组成了"分子建筑"，也就是 MOFs。
在 1995 年发表的知名论文里，奥马尔首次提出了"金属有机框架"（MOFs）概念。这让他成为了著名的" MOF 之父"。
对 MOF 的追逐在同时代的科学家们竞合之中达到了顶峰。1997 年，日本的北川进团队将钴、镍或锌离子与名为 4,4′- 联吡啶的分子，创造出三维金属有机框架。晶体层之间呈古建筑的"榫卯"式嵌合（tongue-and-groove）。
更重要的是，北川进的实验表明，这座"分子宫殿"可以容纳水分子与气体分子。在干燥后，这种框架能在常温下吸附甲烷、氮气等小分子气体，并可逆地释放。这使 MOFs 能够像海绵一样，既可以吸附气体，也可以储存气体，过滤污染物，甚至催化化学反应。
1997 年，日本的北川进团队将钴、镍或锌离子与名为 4,4′- 联吡啶的分子，创造出三维金属有机框架。晶体层之间呈古建筑的"榫卯"式嵌合（tongue-and-groove）。©Johan Jarnestad/ 瑞典皇家科学院
而此时，化学界依然对此有所质疑。比较有代表性的质疑声是，早就有化学材料能做到 MOFs 的功能，例如，负责吸附有毒有害物质的活性炭或沸石。MOFs 还是面临"无用的发明""性价比不高"等等质疑。
但北川进很坚定，屡次对外界阐明他的决心，他指出，MOFs 含有柔性的分子构建块，可以创造出一种柔韧的材料，比活性炭等更具想象力和研究价值。
科学家最终靠着"接力"，阐述了 MOFs 空间的强大。1999 年，奥马尔向世界展示了他设计的"建筑"—— MOF-5。MOF-5 孔隙多，有着宽敞且稳定的分子结构。即使在空置状态下，它被加热到 300°C 也不会坍塌。更为惊人的是，一茶匙的 MOF-5（约 2 克）内部的展开面积，约等于一个 7000 平方米的足球场。更大的面积，意味着它可以比沸石吸收多得多的气体。
这就是三维结构的魅力。
1999 年，奥马尔向世界展示了他设计的"建筑"—— MOF-5。©Johan Jarnestad/ 瑞典皇家科学院
回想起 1990 年代在艰辛中前进的事业，奥马尔在 2025 年的分享中提到，他总结出了 5% 规则——"当 95% 的人怀疑你时，一般仍有 5% 的人坚定地认可你所尝试做的事情"。
他回忆，团队在上世纪取得开创领域的第一个发现时，怀疑声扑面而来，"批评者似乎来自四面八方，质疑我们所做的一切是否可能"。
在外界的一片反对声中，奥马尔发现："你需要关注的就是这 5% 的人。你认真对待批评，但最终，相信自己的直觉，做你知道需要做的事情。"
拥抱 AI 的化学家
顶级化学家奥马尔的励志故事，开始于一次出走。
他出身难民家庭，父亲只有六年级的学历，母亲不太识字。9 个孩子挤在一间位于沙漠的房子里，同一个屋子里还有养牛的牛圈。但恶劣条件没有阻挡一个无视困难少年的化学梦。
奥马尔曾在公开场合回忆，他是在 10 岁那年的一个中午，走进了一座未上锁的图书馆里，打开了一本书。无意中，他被里面讲述分子的章节吸引，从此决心学习化学。15 岁那年，因为成绩优异，他在父亲的帮助下，独自抵达纽约，进入了一所社区公立学校。当时，他的英语水平很差，自带口音，听起来非常别扭。
这位带着梦想与家族期望的少年应该没想到，他后来研究的学科，不仅改变了自己的命运，竟然还可以改变家乡人民的困境。
奥马尔 · 亚吉
抵达美国后，他的英文飞速进步，在化学道路上越走越深。1990 年，35 岁的奥马尔成为哈佛大学博士后研究员，师从美国科学院院士理查德 · 霍尔姆。两年后，他到亚利桑那州立大学做助理教授。
年轻的学者直觉敏锐，他在 3 年后就提出了 MOFs 概念，到了 21 世纪，他创立并推动网格化学这一新兴学科。从 2000 年到 2010 年间，他是全球的论文被引用次数第二多的化学家。
此后，他开始接近疯狂地制造"建筑"。21 世纪初，他制造了 16 种 MOF-5 的变体材料。许多材料的"建设"都为 MOFs 后期的应用，尤其是为缓解气候和环境问题方面的应用奠定了基础。
21 世纪初，奥马尔制造了 16 种 MOF-5 的变体材料。©Johan Jarnestad/ 瑞典皇家科学院
例如，奥马尔曾发现，锌基的 MOF 材料可以吸收并储存氢气。当时，美国总统乔治 · 布什正大力押注"氢经济"，提出氢气有一天将取代化石燃料。奥马尔的发现让许多人跟进研究，期望今后可以将氢气存储于 MOFs 超级海绵中，并按需释放。
再后来，他将研究重点放在了 MOF 材料在水吸附领域的应用。2014 年，奥马尔课题组成功合成 MOF-801 单晶样品。很快，团队发明了像微波炉大小的实验装置，里面装着 MOF-801，让它们在夜晚吸收空气中的水蒸气。
到了白天，他们再利用环境中的太阳能，加热 MOF-801，使其释放出高纯度的液态水。
这一装置最终被证实能有效解决沙漠地区的缺水问题。即使在湿度低至 20% 的沙漠环境中，一公斤的 MOFs 可以在 12 小时内，收集到空气里约 2.8 升的水。目前，这类装置全程靠太阳能驱动，可以有效打破干旱地区的用水荒。
奥马尔 · 亚吉
更多 MOF 的应用在各个领域"开花"。例如，电子工业已经利用 MOF 材料，储存用于半导体制造的有毒气体，可降解包括化学武器成分在内的有害气体。多家公司正在测试从工厂与发电站废气中捕获二氧化碳的 MOF 材料，以降低温室气体排放。
值得一提的是，尽管应用领域很广，但 MOF 材料至今仍未能获得工业级的广泛应用。这是因为，合成 MOFs 总体造价偏高，产业界始终没找到成本更低的合成路径，以达到价格和技术完美的平衡。
回到这些研究基础科学的学者身上。有趣的是，这位早年逃离贫苦环境，中年星光熠熠的约旦裔美国籍学者，近年来积极拥抱 AI 的浪潮。"现实很清楚，"奥巴尔在一次受访时提到，"要在未来蓬勃发展，化学研究者必须完全拥抱 AI 工具，利用其潜力，并在这一变革领域中发展。"
而且，"那些抵制这一变化的人将冒着比以往任何时候都更大的风险。这不仅仅是现代化的呼吁，而是化学作为一门学科的生存问题。"奥马尔强调。
他在近年与同事成立了一家新的研究所，专注于利用 AI+ 网格化学来应对气候挑战。AI+ 化学的应用正好符合他心目中的化学：可以被设计，可以被预测，可以被精准掌握。具有超强计算能力的 AI 大模型可以帮助预测和绘制出不同分子几何结构产生的庞大潜在结构空间，这能显著加速候选材料的筛选过程，同时大幅节约资源。
在实验室中的奥马尔 · 亚吉 / 图源：加州大学
他曾在受访时举例，团队一直倾力于羟肟酸酯 MOF。但由于其框架材料结晶过程异常困难，导致在过去 5 年间，团队仅成功合成出一种羟肟酸酯 MOF。而就在最近 2 年，有了 AI 大模型后，他们让机器对文献中的文本与图像数据进行系统性的挖掘，明确研究方向，以此找到特定结构单元组合生成 MOFs 的可行条件。
借助 AI 工具，奥巴尔透露，他旗下的一位研究生仅用 6 个月，就成功制备出 15 种新型化合物。
AI 正在颠覆科学界，2024 年的诺贝尔化学奖颁布给了用 AI 预测蛋白质结构的 DeepMind 工程师就说明了这一点。而 2025 诺奖得主奥巴尔也坚信，在技术浪潮前，人始终要保持敬畏。他要求实验室的学生：每位成员必须掌握如何运用 AI 来加速化学研究进程的技能。
"化学长期以来一直被视为‘中心科学’，但已不再足够。中心并不等于前沿。化学必须重新定义自己为一门前沿科学，推动边界，拥抱新技术，并引领创新。"奥巴尔提醒道。这位今年已经 60 岁的"寒门贵子"，仍在关注和押注新技术，相信并致力于基础研究与科技应用的新一轮发展。
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