10月8日，日本京都大学北川进（Susumu Kitagawa）、澳大利亚墨尔本大学理查德·罗布森（Richard Robson）和美国加州大学伯克利分校奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi）因发展金属–有机框架的贡献（for the development of Metal–Organic Frameworks）分享了2025年诺贝尔化学奖。金属–有机框架是由金属节点与有机配体构筑而成的多孔晶体，具有结构可设计、孔径可调节、功能可定制等优势，在气体存储、吸附分离、分子传感和多相催化等领域展现出广阔应用前景。如今，MOF已经从基础研究逐步走向产业化，未来在碳捕集、沙漠集水、氢气存储等绿色技术中潜力巨大。
从“普鲁士蓝”到“超级海绵”
20世纪90年代之前，化学家已经掌控了在天然产物等复杂“零维”分子的精准合成，或“一维”高分子链巧妙构筑，但如何按定制化需求搭建二维和三维结构依然是“合成的荒漠”。1913年诺贝尔化学奖得主阿尔弗雷德·维尔纳（Alfred Werner）奠定了配位化学的基础，开启了利用金属–配体键合作用设计晶体网络的可能。更早之前，人们偶然合成的颜料——“普鲁士蓝”，其由–FeII–CN–FeIII–重复单元构成的三维骨架与孔隙，被视作多孔晶体的设计雏形。1959年，日本化学家齐藤喜彦（Yoshihiko Saito）等人利用柔性脂肪二腈和四面体亚铜合成了一维到三维的配位聚合物，但这些材料大多为致密结构，缺乏实用的多孔性质。
1989年，罗布森教授灵光乍现，选用四面体的甲基四苯腈作为刚性配体，成功搭建出具有金刚石型拓扑的离子型配位聚合物，不仅形成了相对较大的空腔，还展现了离子交换特性。他进一步引入拓扑学概念，将有机配体的几何基元“嫁接”到无机晶体的网络构筑，开拓了以几何基元搭建可预测结构的“分子乐高”构筑范式。
1992年，北川进教授发现亚铜中心与吡嗪构成的二维多孔配位聚合物可以容纳丙酮分子。然而，当时人们普遍认为此类材料脱除客体无法保持多孔性，他因此屡遭质疑。直到1997年，他证明了基于钴中心和4,4’-联吡啶构筑出的“三维榫槽结构”可吸附甲烷、氮气和氧气，并持续揭示该类材料的柔性与动态吸附行为，从而提出了“柔性多孔晶体”的概念，颠覆传统的气体吸附理论。“无用之用，方为大用。”正如他所钟爱的中国哲学所说，北川进的坚持最终改变了人们对材料“无用”的偏见。
图1. 2018年北川进教授（前排左五）带领京都大学高等研究院团队访问上海科技大学物质科学与技术学院
1995年，亚吉教授在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）首次提出“金属有机框架（MOF）”的概念，并在《自然》（Nature）报道了采用带电有机配体构筑的MOF-1 [Co(BTC)(Py)2]，展示了客体分子的可逆交换，宣告了MOF概念的诞生。面对“不稳定、不可用”的质疑，他采用几何更加刚性的金属簇作为“次级构筑单元（SBU）”点亮了纳米建筑世界。1998年，他团队合成了由Zn2(-COO)4轮桨状SBU和对苯二甲酸构筑的骨架，首次测得微孔材料典型的I型氮气吸附等温线，证明了材料的永久孔隙性。1999年，亚吉团队以Zn₄O(-COO)6八面体SBU和对苯二甲酸构筑了里程碑式MOF-5。该材料骨架结构刚性强且热稳定性优异，比表面积高达2900 m²/g，远超沸石和活性炭，开辟了多孔材料研究的新时代。如今，MOF材料的比表面积已突破7000 m²/g——一枚硬币大小的MOF材料，其内部孔隙的总表面积竟相当于一座足球场，被誉为“超级分子海绵”。
图2. 2023年亚吉教授参加上海科技大学第三届《材料研究评述》（Accounts of Materials Research）大会并作大会报告
从“教育平权”到“全球科学”
研究MOF材料的“网格化学”因原理直观、结构优美且实验操作相对易于推广，很快在全球掀起研究热潮，也成为发展中国家推动基础研究的重要入门学科。亚吉教授不仅是一位科学家，更是教育平权的倡导者。他曾帮助越南、马来西亚等国家建立研究中心，让化学走向教育资源相对匮乏的地区。他在加州大学伯克利分校发起的“实验室研究体验计划（Laboratory Research Experience Program, LRE），面向全球尤其是发展中国家青年学者进行选拔，提供与顶尖实验室同步的科研训练。他还积极推动新型研究型大学建设，曾任上海科技大学物质科学与技术学院学术顾问和特聘教授；他大力支持青年人才培养，他指导的博士后章跃标和博士生赵英博先后加入上海科技大学担任课题组长；他与中国保持长期交流和合作，持续推动MOF材料前沿研究在中国的发展与创新，他与上海科技大学物质学院电镜中心寺崎治（Osamu Terasaki）教授开展分子编织的结构表征合作，相关成果于2016年以封面文章在《科学》（Science）上报道。
从“初创公司”到“产业落地”
经过多年发展，MOF材料已逐渐从实验室走向产业。其高比表面积与可调控孔洞结构使其在储氢、碳捕集、沙漠集水和能源转化等绿色技术展现巨大潜力。巴斯夫公司率先实现MOF商业化生产，中国多家初创企业也在推动量产。2025年5月，上海科技大学物质学院助理教授赵英博联合创办了“乐谛化学”公司，亚吉教授担任首席顾问，该公司专注于MOF材料的产业化，目前已在工业除湿和沙漠集水应用场景中取得初步成果。
中国学术界在这一领域积累深厚，已形成人数多且水平高的科研队伍，顶尖成果不断涌现。中国的产业链优势和市场需求将进一步推动MOF实现大规模应用，未来有望像锂电池一样，成为中国引领全球的绿色能源转型的新兴高技术产业。面向“碳中和”目标，上海科技大学正在实践基于MOF材料的“直接空气二氧化碳捕集”技术，利用绿色电能合成绿色甲醇和可持续航空燃煤，构建未来能源体系。
从“科学智能”到“气候治理”
2025年诺贝尔化学奖不仅表彰了三十余年来在金属有机框架（MOF）发展中奠基性的贡献，也为网格化学的未来发展指明了方向——人工智能与合成化学的深度融合正在为气候治理新材料开辟全新路径。正如亚吉教授所强调的，网格化学的核心突破在于实现多孔材料的“精确设计”与“精准后修饰”，使科学家从单纯的“发现者”转变为“建筑师”，能够按照碳捕集、空气集水与储氢等绿色技术的需求定制材料。因此，化学不仅是一门中心科学，更是学科交叉的前沿阵地。随着机器人化学家与科学智能的结合，材料研发的进程将被极大加速，并推动研发范式的根本转变。在上海科技大学“科学智能（Artificial Intelligence for Science, AI4S）专项行动计划”的牵引下，物质科学与技术学院和信息科学与技术学院正开展深度合作，通过构建人工化学直觉与自动化合成实验室，加速MOF材料的创新与应用。
结 语
从18世纪的普鲁士蓝，到20世纪的配位聚合物，再到21世纪的“超级分子海绵”，化学家们三十多年间完成了一次跨越三百年的接力。北川进、罗布森与亚吉三位科学家所代表的科学成就，不仅拓展了化学空间的“分子乐高”，更以MOF材料为钥匙，打开了人类社会奔赴未来材料之门。
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