諾獎得主奧馬爾·亞吉說：化學與做菜有相通之處……

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人類文明常以材料命名時代。比如教科書里描繪的遙遠的石器時代和青銅時代，又如當前以計算機和手機為標志的硅時代。未來時代將由何種材料定義？

2025年諾貝爾化學獎得主奧馬爾·亞吉(Omar Yaghi)認為，金屬有機框架材料——或稱MOFs——有望開創下一個材料時代。亞吉等人在1990年代領銜MOFs的研發工作，貢獻了革命性的合成方法，并因此榮獲諾獎。（參見）

MOFs還有個好兄弟COFs，即共價有機框架。二者均屬晶體材料，而它們最獨特之處在于：作為晶體，竟有著驚人的孔隙率。

1999年，亞吉團隊合成的鋅基材料MOF-5引起轟動。這種布滿孔隙的材料只需達到區區幾克，其內表面積就堪比足球場。

過去幾十年間，亞吉一直引領著新型MOFs和COFs材料的研究前沿。這一化學新分支被學界稱為“網格/網狀化學”(reticular chemistry)，不斷拓展材料的應用邊界。

MOFs和COFs豐富的內部孔隙可吸附其他分子，從而實現神奇功用，比如從沙漠空氣里收集水、從水里提取污染物、捕獲二氧化碳以及儲存氫氣等。

近期，亞吉教授接受《新科學家》（

New scientist

Q：您為何會對金屬有機框架材料產生興趣，會選擇進入網格化學領域？

A：

我們剛開始研究MOFs時，并未設想能用它解決某個大問題、取得某種大突破，只將其視為一項純粹的智力挑戰：能否做到像搭積木、砌磚房那般逐個分子地構筑材料？這確實是化學領域極具挑戰性的課題之一。當時許多人堅信這條路行不通，認為投入研究只是徒勞。

Q：為什么最初大家認為MOFs材料是不可設計的？

A：

通常情況下，當你把制備材料所需的化學單元混到一起后，它們的連接組合方式無法如你所想，而是混亂無序、難以表征的。這當然符合物理定律所告訴我們的：大自然總是趨于熵增和無序。

而我們的目標是晶體，是具有重復周期性結構的有序物質。打個比方，大自然結晶鉆石的過程長達十億年，我們卻試圖一天之內就完成它。不過我始終相信，只要掌握對的方法，任何物質都可結晶。

金屬有機框架材料由碳基有機連接體和金屬原子構成；它們相互連接，形成具有龐大內部空腔網絡的晶體結構。通過改變連接體與金屬的種類，可以調整空腔的特性，使其適用于儲存包括二氧化碳和水蒸氣在內的多種不同氣體。

Q：您的直覺后來被證明是正確的。1999年，您與團隊在《自然》雜志撰文報告了MOF-5的合成工作，及其展現的前所未見的穩定性。彼時您是否預料到這類材料最終帶來實用價值？

A：

那時候我們發現了一種可用于合成穩定MOFs的溶劑，并逐步理解了其作用機理。我們意識到，在合成MOFs的過程中，這種溶劑分子進入反應體系后，對調控無序傾向具有關鍵作用。后來，世界各地的研究人員采用了類似方法。

起初，我只是為制備出美麗晶體而興奮；隨著觀察到其卓越特性，大家開始思考：“能用它用來做些什么？”

首先，MOFs晶體具有極高孔隙率，由此“氣體吸附”必有前途。這些材料內有空間微腔，恰好能容納H?O、CO?之類的分子。(如前文所述，內部空腔雖是微納級別的，但其提供的內表面積相較材料本身規格可謂巨大。)

Q：能否談談如今您制備這類材料的思路？

A：

我的烹飪理念是只用健康食材、以最少步驟做出美味佳肴。其實做化學與做菜有相通之處：我力求簡化材料制備流程，只用到真正必需的化學原料。

首先，選定材料的骨架。其次，確定材料孔隙的尺寸。此外，不妨在骨架結構上進行化學修飾，添加特定分子。這么做的目的關系到最后一步，即讓二氧化碳之類的目標物被吸附至材料內含的空腔。(化學修飾有助于吸附。)在我看來，整個過程簡潔而又精妙。

Q：關于MOFs和COFs的研究讓您探索了哪些新技術？

A：

一旦掌握從分子層面設計材料的方法，那就是根本性的變革。從分子走向社會——這是我個人的理想，也是我在2020年創立的Atoco公司的愿景。

我們想瞄準那些目前缺乏適用材料或所有材料效能不佳的領域，以所謂的“理性設計”方式從分子層面構建更優質的材料。材料制備技術的進步，會帶動社會標準的提升。

2024年，我們公布了迄今最優的碳捕獲材料COF-999。COF-999能捕集空氣里的二氧化碳，接受了我們在加州大學伯克利分校進行的超百次捕集與釋放循環測試。Atoco計劃利用COF-999等網格材料，構建適用于從工業場景到住宅建筑的碳捕獲模塊。

我們還開發出能每日從大氣捕獲數千升水的材料。以此為基礎制造的設備，即使身處美國內華達沙漠這般濕度低于20%的極端環境，仍能提取水蒸氣。我認為大氣集水技術將在10年內發展為日常科技。

金屬有機框架材料為晶體結構，其內部布滿微孔

Q：現有其他技術也能捕獲水和二氧化碳，MOFs與COFs對比它們有何優勢？

A：

我們對材料的化學過程有著高度控制，因此相關設備能以可持續方式制造。這些設備將穩定運行許多年，其中的MOFs部件達到使用壽命終點后，可通過水完全分解，確保不會有MOFs泄漏至環境。因此，即使未來MOFs材料實現多噸級規模的生產并廣泛應用于各領域，我們也不會面臨“MOFs廢棄物難題”。

基于MOFs的設備還擁有更理想的能效。舉例來說，利用環境太陽光驅動MOFs集水裝置釋放水分，顯然是相當節能的工作模式，而這種模式的核心技術已被我們掌握。另外，針對碳捕獲裝置，可利用工業流程中的廢熱來釋放捕集到的二氧化碳，這使其相比其他競爭方案更具經濟性和可持續性。

但不可否認，當前我們仍面臨諸多挑戰。挑戰來自規模化生產的難點，來自怎樣提升材料的化學穩定性，也來自如何精準控制材料釋放已吸附分子的時間與方式。

舉個例子，我們已能實現噸級MOFs的生產，但COFs材料尚無法達到同等規模。預計未來幾年內，我們將突破瓶頸。再以集水技術為例，材料對水分的吸附強度過大或過小都不好，需要精準調控。

我們現在正運用AI智能體優化MOFs和COFs的設計，力求提高開發效率。

通常來說，創建基礎MOFs或COFs材料并不困難，但要想獲得具備特定優化性能的材料，研發過程可能耗時一年。若AI智能體加速進程，那將帶來革命性變化。我曾面對面地鼓勵實驗室里所有人嘗試大語言模型工具。值得一提的是，目前我們開發部分新型MOFs的效率已翻倍提升。

Q：您認為網格化學有哪些應用前景值得期待？

A：

如今網格化學已是個宏大領域，化學家身處其中，探索熱情堪比糖果店里的孩子們。想想，數以百萬計的新型MOFs等著我們開發……

一個誘人方向是讓MOFs模擬酶的催化功能，用于加速化學反應，為藥物開發等工作提供合成助力。我們已研制出可實現酶功能的MOFs材料，且其使用壽命和穩定性遠勝天然酶。未來10年左右，MOFs材料有望帶來令人驚喜的生物應用。

我認為另一項突破性應用場景將來自“多變量材料”(multivariate materials)。這個研究方向目前鮮少為人關注，僅有我的實驗室開展相關工作。我們理想中的“多變量”MOFs并非通體一致的結構，其內部環境呈現顯著差異。

怎樣實現？我們會選擇不同化合物“修飾”不同的模塊并將它們組合起來，從而在材料內部構建差異極大的微環境，引導特定分子執行特定功能。實驗證明，此類材料能實現更精準高效的氣體選擇性吸附。

在我看來，這代表著化學家思維模式的轉變。傳統化學研究習慣制備均質材料，而我們追求的是高度有序的骨架結構結合高度異質性的內部環境。

Q：是什么讓您對MOFs和COFs的未來充滿信心？

A：

關于金屬有機框架和共價有機框架材料，當前我們也只是略窺其門徑，不過創新的思路從未止步。自1990年代以來，網格化學領域持續擴展，研究熱度始終高漲。如果觀察MOFs與COFs相關專利的增長曲線，你會發現它們呈指數級上升趨勢。

這項工作的美妙之處在于，它將有機化學與無機化學相融匯，眼下更是結合了工程學和人工智能。它已超越傳統化學，代表真正的科學前沿。

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