10月8日,日本京都大学的北川进、澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森和美国加州大学伯克利分校的奥马尔·亚基因“金属有机框架(MOF)研发”而共同获奖。几克材料的内部表面积相当于一个足球场,可以从沙漠空气中提取水,还能从空气中捕获二氧化碳。诺贝尔化学委员会主席海纳·林克表示,金属有机框架具有巨大潜力,为开发具有新功能的定制材料带来了前所未有的机会。
自1995年MOF概念正式提出以来,全球已有数万个研究组投身这一领域,已开发出成千上万种MOF。其应用包括去除水体中的“永久性污染物”、分解环境中的微量药物,在极端干旱地区从空气中提取可饮用水等。瑞典皇家科学院指出,三位获奖者的发现“为人类应对21世纪的重大科学与环境挑战提供了新的工具”。
用通俗的话来解释MOF,它是一种用金属和有机分子共同搭建的“房间”,不仅“房间”大小可以精确设计,从原子尺度到几十纳米,连“房间”内的环境“装修”也能根据需求度身定制。当这些房间连成一片、形成孔道,就能实现各种各样的应用,比如储氢、分离气体,甚至精细催化。
早在上世纪五六十年代,化学家就提出了配位聚合物的概念。直到1989年,罗布森在指导学生做分子模型时,产生了灵感:能否用原子和有机分子“棒”来搭建一个类似钻石的晶体“分子笼”?由此,他合成出了一个空间有序、宽敞且能进行设计和修改的晶体“分子笼”。虽然这个分子结构还不太稳定,但北川进和亚基在1992年至2003年间分别取得了一系列革命性发现,为“加固”这类分子结构提供了坚实基础。
1992年,北川进展示了一种二维材料,空腔中可隐藏丙酮分子。尽管看起来没啥用,却提示了一种构建分子的新思维方式。1997年,他的研究小组创制出了由开放通道交叉的三维金属有机框架,这些材料既稳定又有功能。