开创化学“新空间”的有机金属结构——2025年诺贝尔化学奖结果解读

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新华社斯德哥尔摩10月8日电 科学传播|金属有机结构开创化学“新空间”——2025年诺贝尔化学奖结果解读 新华社记者朱浩辰 郭双章清 瑞典皇家科学院8日公布2025年诺贝尔化学奖获奖者时，用诗意的一句话总结了他们的贡献：“他们为化学创造了新空间” 化学。”该荣誉授予日本京都大学的 Susumu Kitakawa、澳大利亚墨尔本大学的 Richard Robson 和加州大学伯克利分校的 Omar M. Yagi。三位科学家因金属有机框架的开发而获奖。这一结果不仅拓展了化学研究的极限，而且具有重要的意义。能源、环境和材料科学领域。什么是有机金属结构？有机金属骨架是一种复杂的“分子结构”。以金属离子为“角”，碳基长链有机分子以“梁柱”组合，形成规则有序的三维晶体结构。框架内部充满了宽敞的空腔，允许气体和液体分子自由进出。这些结构可用于从沙漠空气中提取水分、捕获二氧化碳、储存有毒气体以及催化化学反应等。一些有机金属结构材料具有非常强的吸附和储存能力，可以容纳大量的气体分子，如氢气、甲烷和二氧化碳等。因此，它在清洁能源储运和碳捕获领域表现出优异的表现。此外，由于它通过气体可逆地变形吸附和释放，它表现出伸缩的灵活性，而不破坏现有的骨架。这种结构由互连的金属离子和有机分子组成，结合了稳定的结构和设计灵活性。科学家可以选择不同的金属离子和有机分子，像建筑师一样“定制”材料的特性，构建具有不同特性的有机金属结构。金属有机框架的出现改变了我们对传统化学研究的思考方式。这不仅代表了一类新材料的诞生，而且是方法论的进步。化学家将能够用理性设计在分子层面积极“规划空间”，取代以往依赖偶然发现的实验探索。在20世纪80年代，当“分子宫殿”最终成为现实时，罗布森寻求以新的方式利用原子的独特性质。他将带正电的铜结合在一起具有有机分子的离子，该有机分子具有四个以吸引铜离子的化学基团结尾的“臂”。当两者结合时，它们形成一个空的、有序的晶体，类似于“分子宫殿”。罗布森很快认识到了这种分子结构的潜力。然而，早期的材料结构脆弱，很容易破碎。 1989年，罗布森在《美国化学会杂志》上发表了他的研究结果，并提出这种设计思想可以为具有全新性能的建筑材料提供一条道路。然而，当时的大多数化学家认为他们的想法没有实际价值。北川进和八木奥马尔为罗布森的愿景奠定了坚实的基础。 1992年至2003年间，他们取得了一系列进展。 Susumu Kitakawa 证明气体可以自由地进出有机金属结构而不破坏结构，揭示了其灵活的特性。奥马尔·M·亚吉 (Omar M. Yaghi) 创造了高度的斯塔ble 有机金属结构，并表明它们可以通过合理设计来控制，以赋予新的理想性能。 1999年，Omar M. Yaghi合成了经典的MOF-5材料，该材料具有巨大的内部空间，可以在300摄氏度下保持稳定。在此基础上，化学家构建了数万种不同的有机金属结构材料，其中许多有潜力帮助人类应对重大挑战。让分子对人类有用。诺布化学委员会委员、斯德哥尔摩大学结构化学系教授邹晓东在接受新华社采访时表示，这一成果是化学领域的重要发现。获奖者率先实现了金属离子与有机分子的有序组合，成功设计了具有更大孔洞的晶体结构，并为合成空间可控化合物提供了新途径。今天的研究人员正在使用这种技术技术寻找人类面临的资源、能源和环境挑战的解决方案。在环境领域，有机金属结构材料可以吸收二氧化碳，减少温室气体排放。 “永久性污染物”，例如全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS），可以从水中分离出来。还可以分解抗生素残留物和有害气体。在能源领域，可用于储存氢气和甲烷，为新能源的输送提供更安全、更高效的储气方式。它还可用于催化反应和电化学能量转换。 “这一领域的研究发展很快，全球有众多科研团队正在投入这一领域。据我了解，仅在中国就有100多个实验室在开展相关研究。”邹晓东说。有机金属框架展示了化学的创造力和社会价值。三位获奖者利用他们的发现力图为化学的未来打开“新的大门”，拓展分子的世界，赋予人类在科学上更多的可能性。
（编辑：魔术师丹）