臺灣大學化學系蔡蘊明名譽教授授權轉載 │ 原文連結

本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿，原文可自以下官方網站取得：

https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/popular-chemistryprize2025-1.pdf

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https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/advanced-chemistryprize2025.pdf

*蔡蘊明現為台大化學系名譽教授。

*感謝方俊民教授、張哲健教授與翁紹華博士提供的意見。

他們為化學開啟了新的空間

北川進（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）和奧馬爾·M·亞基（Omar M. Yaghi）因開發出一種新型分子結構而榮獲2025年諾貝爾化學獎。他們創造的這種構造 — 金屬有機骨架 — 包含巨大的空腔，分子可以在其中進出。研究人員利用它們從沙漠空氣中獲取水分、從水中提取污染物、捕獲二氧化碳以及儲存氫氣。

一間美觀而寬敞的公寓，專門替身為水分子的你的生活而設計 – 房地產經紀人可能會這樣描述其中一個近幾十年來，世界各實驗室研發的各種金屬有機骨架結構(圖一)。其它的這類結構則專門用於捕捉二氧化碳、從水中分離全氟辛烷磺酸(PFAS)、在體內輸送藥物或處理劇毒氣體。有些結構可以捕捉水果所釋放的乙烯氣體 – 使其成熟得更慢 – 或是封裝分解環境中微量抗生素的酵素。

簡而言之，金屬有機骨架材料極為有用。北川、羅布森和亞基榮獲2025年諾貝爾化學獎，因為他們創造了第一個金屬有機骨架（MOF）並展示了其潛力。由於這三位得獎者的工作，化學家們得以設計出成千上萬種不同的MOF，從而催生出新的化學奇蹟。

正如科學界常見的情況一樣，2025年諾貝爾化學獎的故事始於一位打破常規的思考者。這次，靈感來自於一堂經典化學課前的準備，當時學生需要用球和棒來建構分子模型。

一個簡單的木製分子模型催生了一個想法

那是1974年，當時在澳洲墨爾本大學任教的羅布森接到一個任務，需要利用木球做為原子，建立分子模型，以便學生們能夠架構出分子結構。為了這項工作，他需要學校的工廠在木球上鑽孔，以便木棒 – 即化學鍵 – 能夠連接到原子上。然而，這些孔不能隨機排列，每個原子 – 例如碳、氮或氯 – 都須以特定的方式形成化學鍵，因此羅布森需要標出鑽孔的位置。

當工廠歸還木球後，他嘗試架構一些分子，這時，他靈光一閃：孔洞的位置蘊含著大量的資訊，由於孔洞的既定位置，模型分子自動擁有正確的形態和結構。這項發現引發了他的下一個想法：如果利用原子的固有屬性來連接不同類型的分子，而不是個別的原子，那會發生什麼事？他能設計出新型態的分子結構嗎？

羅布森打造了創新化學作品

每年，當羅布森拿出木製模型為新生上課時，他都會萌生同樣的想法。然而，十多年後，他才決定付諸實驗。他從一個非常簡單的模型開始，靈感來自鑽石的結構：鑽石中每個碳原子與其它四個碳原子鍵結，形成一個微型金字塔（圖二）。羅布森的目標是建構一個類似的結構，但他的目標是基於帶正電的亞銅離子Cu⁺。與碳一樣，Cu⁺也傾向於被其它四個原子包圍。
 

他將銅的離子與一個具有四個支臂的分子：4’,4’’,4’’’,4’’’’-四氰基四苯基甲烷，結合在一起。無需記住它複雜的名稱，但重要的是，每個支臂末端的分子都有一個化學基團：腈(CN)，它會被帶正電的銅離子吸引（圖二）。

當時，大多數化學家認為，將銅的離子與具有四支臂的分子結合，會形成一個由離子和分子組成的鳥巢狀結構。但事情卻照著羅布森所預期的發展，如同他所預測的那般，在離子和分子之間固有的吸引力主導之下，它們自行組裝成一個大型分子結構，就像鑽石中的碳原子一樣，它們形成了規則的晶體結構。然而，與緻密的鑽石不同，這種晶體包含大量巨大的空腔（圖二）。

1989年，羅布森在《美國化學會誌》上發表了他的創新化學成果。在文章中，他展望了未來，並指出這可能提供一種新的途徑來建構材料。他寫道，這些材料可能具有前所未見的特性，以及潛在的益處。

事實證明，他預見了未來。

羅布森引領了化學領域中的開拓精神 

在羅布森的開創性研究發表後不久，他就提出了幾種新型分子架構。這些結構中的空腔可填充各種物質。他利用其中一種結構來交換離子：當他將這種充滿某離子的結構浸入含有不同類型離子的液體中，結果，離子發生了位置互換，證明了物質可流入這種結構和流出。

羅布森在實驗中展示，運用合理的設計，可以針對特定化學物質，建構內部空間寬敞且大小最佳化的晶體。他認為，這種新型分子架構 — 如果設計正確 — 可以用來例如催化化學反應。

然而，羅布森的構想搖搖欲墜，隨時可能崩塌。許多化學家認為這些構想毫無用處，但也有人看出他抓住了某種東西，對這些人而言，羅布森對未來的構想，喚醒了他們的開拓精神。為羅布森的願景奠定堅實基礎的，是北川和亞基。1992年至2003年間，他們分別取得了一系列突破性的發現。我們將從1990年代開始，從當時在日本近畿大學工作的北川談起。

北川的座右銘：即便無用之物也能變得有用 

在他的整個研究生涯中，北川一直遵循著一個重要的原則：努力發現「無用之物的有用之處」。在年輕學生時代，他讀過諾貝爾獎得主湯川秀樹的一本書，在書中湯川引用了中國古代哲學家莊子的話：我們必須質疑所認為有用的東西；即使某些東西不能帶來直接的益處，但它最終仍可能是具有價值的。

因此，當北川開始研究建構多孔洞分子結構的潛力時，並不認為它們必須具有特定的用途。1992年，他首次展示了自己建立的分子結構，當時它確實沒什麼用處：一種二維材料，帶有空腔，而丙酮分子可以藏匿其中。然而，它源自於一種對分子建構藝術的全新思考。像羅布森一樣，他也使用銅的離子作為基石，用來將更大的分子連接在一起。
 

北川想繼續試驗這項新的建築技術，但當他申請研究計畫時，計畫審核者認為他的雄心壯志沒有任何特別的意義。他創造的材料並不穩定，也沒有任何用途，因此他的許多提案都被拒絕了。

然而，他沒有放棄，並在1997年取得了第一個重大突破。他的研究團隊利用鈷、鎳或鋅離子以及一種名為4,4'-聯吡啶的分子，建構了三維金屬有機骨架，這些骨架之內具有交錯的開放通道（圖三）。當他們將其中一種材料乾燥（即抽乾水分）後，它變得穩定，甚至可以在其空間中填充氣體。這種材料可以吸收和釋放甲烷、氮氣和氧氣，而不會改變形狀。

北川看到了自己作品的獨特之處 

北川的構造體既穩定又實用，但審核經費者仍未能發現它們的魅力。原因之一是化學家已經掌握了沸石(zeolites)，那是一種穩定的多孔材料，可以用二氧化矽來製造。沸石可以吸收氣體，那麼為何有人會開發出一種效果還不如沸石的類似材料呢？

北川深知，如果想獲得任何重大經費，就必須闡明金屬有機骨架(MOF)的獨特之處。因此，1998年，他在《日本化學會誌》上闡述了自己的構想。他列舉了MOF的幾項優勢，例如，它們可以由多種類型的分子構成，因此在整合不同功能方面擁有巨大的潛力。此外 – 這一點很重要 – 他意識到MOF可以形成軟材料。與通常為硬質材料的沸石不同，MOF包含靈活的分子結構單元（圖四），可以形成柔韌的材料。

此後，他只需將自己的想法付諸實行。北川與其他研究人員一起，開始開發柔性MOF。在他們進行這項工作的同時，讓我們把重點轉移到美國，在那裡，亞基也致力於將分子架構提升到新的高度。

一次圖書館的密探讓亞基對化學大開眼界

對亞基來說，研究化學並非一個顯而易見的選擇。他和兄弟姊妹們在約旦安曼的一間小房間長大，那裡沒有電，也沒有自來水。為了逃避充滿挑戰的生活，學校成了他的避難所。十歲那年，有一天，他偷偷溜進平常上鎖的學校圖書館，從書架上隨意拿了一本書。打開書，他的目光被那些難以理解卻又引人入勝的圖片所吸引 ─ 這是他第一次接觸分子結構。

15歲時，在父親的嚴厲指示下，亞基前往美國學習。他被化學深深吸引，最終導向設計新材料的藝術，但他發現傳統式建構新分子的方法太難以預測。通常，化學家會將需要反應的物質放入容器中混合，然後，為了啟動化學反應，他們會加熱容器，所需的分子雖會生成，但通常會伴隨產生一堆的副產物雜質。

1992年，亞基的第一個職位是在亞利桑那州立大學帶領一個研究團隊，他希望找到更可控的材料合成方法。他的目標是透過合理的設計，將不同的化學結構成分（就像樂高積木一樣）連接起來，形成大的晶體。這極具挑戰性，但最終，當研究小組開始將金屬離子與有機分子結合時，他們成功了。1995年，亞基發表了兩種不同二維材料的結構；它們具有網狀結構，由銅或鈷連接在一起。後者可以在其空間中容納客體分子，當完全充滿這些客體分子時，它仍非常穩定，即使在350 °C的溫度下也不會坍塌。亞基在《自然》雜誌的一篇文章中描述了這種材料，並創造了「金屬有機骨架」這一名稱；如今，該術語用於描述由金屬和有機（碳基）分子構成的分子架構，其結構以有序的方式朝三維延伸，其中包含空腔。

僅幾克的亞基骨架分子，其表面積就能涵蓋一個足球場

1999年，亞基向世界展示了MOF-5，建立了金屬有機骨架發展史的另一個里程碑。這個材料已成為該領域的經典，它是一種內部極為寬敞且穩定的分子架構。即使在空的情況下，它也能加熱到300 °C而不會坍塌。

然而，令許多研究人員感到驚訝的是，這種材料的立方體空間內隱藏著巨大的面積。僅幾克的MOF-5就擁有一個足球場那麼大的面積，這意味著它能吸收的氣體遠比沸石多得多（圖五）。

說到沸石和MOF之間的區別，研究人員僅用了幾年時間就成功開發出了柔性MOF，其中北川本人就是一位能夠合成出這種柔性材料的人。他的材料在充滿水或甲烷時會變形，而在抽空後又會恢復原狀。這種材料的行為有點像肺，可以吸入和呼出氣體，既可變卻又穩定。

亞基研究團隊從沙漠空氣中變出飲用水

亞基於 2002 年和 2003 年為金屬有機骨架材料奠定了堅實的基礎，在《科學》和《自然》雜誌上發表的兩篇文章中，展示了如何以合理的方式修飾和改變 MOF 材料，賦予其不同特性的可能性。他成功製備了16種 MOF-5 變體，其空腔比原型材料中的空腔更大或更小（圖六）。其中一種變體可以儲存大量的甲烷氣體，亞基建議將其用於永續天然氣(renewable natural gas; RNG)燃料汽車。

隨後，金屬有機骨架材料風靡全球。研究人員開發出一種包含各種不同組件的分子工具包，用來建造新的MOF。這些組件的形狀和特性各異，為合理設計 – 或基於人工智慧 – 用於不同用途的MOF材料，提供了巨大的潛力。圖七展示了MOF材料的應用範例：例如，亞基的研究小組從亞利桑那州的沙漠空氣中收集了水。夜間，他們的MOF材料吸收了空氣中的水蒸氣，待黎明到來，太陽加熱MOF材料，他們便能夠收集到水。