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【資料圖】

中新經(jīng)緯10月13日電 題：諾獎(jiǎng)青睞的“化學(xué)樂高”有多神奇？

作者 袁帥 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、配位化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授

近日，日本京都大學(xué)的北川進(jìn)、澳大利亞墨爾本大學(xué)的理查德·羅布森以及美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的奧馬爾·M·亞吉三位科學(xué)家，因在“金屬有機(jī)框架”(MOF)領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，獲得2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

化學(xué)界的“樂高”

什么是金屬有機(jī)框架？從學(xué)術(shù)定義來看，金屬有機(jī)框架是由金屬離子或金屬團(tuán)簇和有機(jī)配體，通過配位鍵自組裝形成的三維框架結(jié)構(gòu)。這個(gè)專業(yè)名詞恰如其分地概括了其組成和特性——“金屬”“有機(jī)”和“框架”。

如果用更通俗的比喻來解釋，MOF就像分子世界的樂高積木。金屬節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于樂高的凸點(diǎn)，有機(jī)配體則如同連接桿，科學(xué)家們利用這些分子級(jí)別的“積木塊”，可精心搭建起一座座精美的“樂高大廈”。

這些“大廈”的最獨(dú)特之處在于，它們不是實(shí)心的，而是空心的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有無數(shù)個(gè)“房間”，房間之間由“走廊”相互連接。在材料科學(xué)中，我們稱這種結(jié)構(gòu)為多孔結(jié)構(gòu)。每一個(gè)孔洞或“房間”都可以容納“客人”——即吸附各種分子。

與傳統(tǒng)的多孔材料如沸石和活性炭相比，MOF有著顯著優(yōu)勢(shì)。沸石和活性炭已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，它們的優(yōu)勢(shì)在于成本低廉。不過，這些材料雖然都具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，但它們的孔道要么是天然形成的，要么是基于經(jīng)驗(yàn)合成或改造的，缺乏定向性，很難實(shí)現(xiàn)在原子級(jí)別上的精準(zhǔn)控制。MOF則完全不同?；氐綐犯叻e木的比喻，它更像是能夠按照設(shè)計(jì)圖紙精確拼裝的樂高模型。MOF的兩個(gè)組成部分——金屬和有機(jī)配體，提供了幾乎無限的組合可能性。元素周期表中的大多數(shù)金屬都可以用來構(gòu)建MOF，而有機(jī)配體的種類更加豐富多樣，有機(jī)配體還可以有不同的長(zhǎng)度和各種官能團(tuán)(有機(jī)化合物分子中能夠決定化合物主要化學(xué)性質(zhì)的原子或原子團(tuán))?？茖W(xué)家可以根據(jù)需求選擇特定的金屬和有機(jī)配體。這種高度的可設(shè)計(jì)性使得研究人員能夠在分子層面上精確調(diào)控孔洞的大小、形狀和化學(xué)環(huán)境，這是傳統(tǒng)多孔材料無法比擬的優(yōu)勢(shì)。