2025年諾貝爾化學獎報導：化學進入「分子建築」時代

 

2025年諾貝爾化學獎報導：金屬有機框架（MOF）的開創性開發

引言

2025年10月8日，瑞典皇家科學院宣布將諾貝爾化學獎授予三位科學家：日本京都大學的北川進（Susumu Kitagawa）、澳洲墨爾本大學的理查德·羅布森（Richard Robson），以及美國加州大學柏克萊分校的奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）。他們的獲獎理由是「金屬有機框架（Metal-Organic Frameworks, MOF）的開發」，這一創新技術創造了全新的分子架構，能夠精確控制物質的儲存、分離和反應，預計將在環境、能源和醫療領域帶來革命性影響。

這是繼生理學或醫學獎後，日本科學家在2025年諾貝爾獎季的又一勝利，凸顯了基礎研究在解決全球挑戰中的關鍵作用。以下報導將詳細介紹獲獎者背景、MOF技術的核心貢獻、具體應用示例，以及其社會影響。

獲獎者簡介

三位獲獎者分別來自不同國家，但他們的研究在1990年代交織，共同奠定了MOF領域的基礎。以下是他們的簡要資料：

獲獎者	國籍/出生年份	所屬機構	主要學歷與貢獻簡述
北川進 (Susumu Kitagawa)	日本/1951	京都大學教授	京都大學博士（1979）。1990年代證明MOF可讓氣體進出，並預測柔性MOF的潜力。
理查德·羅布森 (Richard Robson)	英國/1937	墨爾本大學教授	牛津大學博士（1962）。1989年首次合成有序但不穩定的MOF結構。
奧馬爾·亞吉 (Omar M. Yaghi)	約旦/1965	加州大學柏克萊分校教授	伊利諾大學博士（1990）。開發穩定MOF並實現理性設計，已應用於商業產品如水收集和氣體儲存。

北川進作為日本代表，他的研究深受京大「自由の学風」影響——不問「有什麼用」，只問「有沒有趣」——基礎科學的意外應用。他們的合作開啟了化學家設計數萬種MOF變體的新時代。

MOF技術的核心貢獻

MOF是一種多孔性分子結構，由金屬離子（如銅、鋅或鎂）作為「角落石」，與長鏈有機分子（如苯基羧酸）連接，形成晶體框架。這些框架內部充滿微小空腔（直徑數埃），允許氣體、液體或化學物質自由進出，但可精確選擇性吸附。

• 羅布森的先驅工作：1989年，他使用正電銅離子與四臂分子合成首個有序MOF晶體，類似鑽石結構但充滿空腔。不過早期版本不穩定，易崩塌。
• 北川進的突破：1992-2003年間，他證明氣體可在MOF中流動，並發現柔性MOF可根據環境變化調整形狀，提高實用性。
• 亞吉的創新：開發出高度穩定的MOF（如MOF-5），並引入理性設計——透過改變構建塊來客製化屬性。這讓MOF從實驗室走向商業。

諾貝爾委員會主席Heiner Linke表示：「MOF帶來了前所未有的機會，創造具有新功能的客製材料。」 如今，已有超過9萬種MOF被合成，表面積可達數千平方米/克，遠超傳統材料。

多孔性金屬有機框架的革命性應用

北川教授開發的多孔性金屬有機框架是一種由金屬離子和有機分子結合形成的化合物，其結構類似微型叢林健身架，擁有數量眾多的奈米級孔洞（約十億分之一米）。這些孔洞能夠精確地捕獲、儲存或釋放特定分子，例如二氧化碳或氫氣。這種材料的獨特之處在於其孔洞大小和性質可以通過設計自由調控，從而實現多樣化的應用。

環境與能源領域的突破

• 二氧化碳捕獲與資源化：MOFs能夠選擇性地捕獲二氧化碳，並將其轉化為資源，助力減緩氣候變動。

• 水資源生成：在沙漠等乾燥環境中，MOFs可以從空氣中提取水蒸氣並濃縮成飲用水，無需挖掘地下水。

• 宇宙應用：MOFs可望在太空環境中用於氧氣再生和二氧化碳吸收，實現可持續的生命支持系統。

其他實際應用

• 食品保鮮：2016年，MOFs首次實現商業化應用，通過吸附乙烯（導致水果腐敗的氣體），延長水果在運輸中的保鮮期。

• 有毒氣體儲存：MOFs能夠以低壓安全儲存和運輸有毒氣體。

• 除臭技術：2018年起，研究人員正開發利用MOFs瞬間去除菸草或排泄物氣味的技術。

簡單高效的合成方法

北川教授的研究團隊發現，MOFs的合成極為簡單且成本低廉。只需將含有金屬離子和有機分子的兩種溶液混合，即可快速生成固態MOFs結構。這種高效的合成方法使其具備大規模生產的潛力。

北川教授的科研理念與影響

北川教授的研究風格以創新和自由為核心。曾與北川教授共事23年的京都大學物質-細胞整合系統研究中心特定副教授樋口正表示，北川教授從不拘泥於細節，而是強調新的概念和視野。他對科學的嚴謹態度要求研究成果必須以高質量的論文形式呈現，並將新發現分享至全球。

北川教授的學生、大阪大學研究生院工學研究科的正岡茂幸教授回憶道，北川教授總能以簡短的建議激發學生的自信。他提到，北川教授在研究初期即使未被廣泛認可，仍堅定信念推動MOFs研究，這種毅力最終促成了這一領域的突破。

MOF的具體應用示例

MOF的應用廣泛，從環境保護到能源轉型，均有實例。以下分類列出關鍵應用：

1. 碳捕獲與環境保護：
   • MOF可用於從火力發電廠排氣中捕獲CO₂，效率高於傳統胺法，降低能源成本。 例如，亞吉的MOF可從沙漠空氣中收集水，每天每公斤產生數升水，解決水資源短缺。
   • 其他：分離PFAS（永遠的化學物質）從水中，或分解環境中藥物殘留。
2. 能源儲存：
   • 水素儲存：MOF-177可在低溫高壓下儲存7.5wt%水素，用於燃料電池汽車。 比傳統高壓缸更安全高效。
   • 甲烷儲存：HKUST-1用於天然氣汽車，透過開放金屬位點強力吸附。
3. 醫療與藥物輸送：
   • 作為藥物載體：CD-MOF-1可控制釋放布洛芬，延長半衰期並減少副作用。 適用於抗癌藥或皮膚用藥。
   • 生物成像：MOF-76用於選擇性檢測化學物質，增強蘭塔諾發光。
4. 觸媒與化學反應：
   • CO₂轉化：MOF催化CO₂與環氧丙烯反應生成循環碳酸酯，促進碳循環。
   • 水分解：ZIF-8衍生MOF加速氧氣和水素產生，用於可再生能源。
5. 其他先進應用：
• 核廢料處理：從海水中提取鈾。
• 電子裝置：Ni₃(HITP)₂形成導電薄膜，用於感測器或光檢測器。
• 除濕與冷卻：MIL-100(Fe)吸附水蒸氣，提高空調效率。

這些應用已部分商業化，如亞吉的MOF用於氣體儲存產品。

社會影響與未來展望

MOF技術被視為解決人類最大挑戰的關鍵，如氣候變遷、水資源危機和能源轉型。 它強調基礎研究的長期價值——從1989年的初步想法，到如今的全球應用。挑戰包括提高耐水性和大規模生產，但前景樂觀。北川進在獲獎後表示：「這是團隊努力的成果，將繼續推動MOF的實用化。」

國際反應熱烈，媒體如Phys.org和Economic Times報導稱，這將加速脫碳社會的實現。 日本國內，京都大學慶祝這一成就，預計將激勵更多年輕科學家。

結論

2025年諾貝爾化學獎不僅表彰三位科學家的創新，還標誌化學進入「分子建築」時代。MOF的開發展示了如何透過精確設計解決實世界問題，預計未來十年內將產生更多商業和社會效益。更多細節可參考諾貝爾基金會官網或相關科學文獻。

長い研究人生を支えてきた座右の銘を伺うと…。 　京都大学・北川進 副学長 　「『勁草』（けいそう）。強風で花は飛び散ってしまうけども、強い草、雑草なんですよね。なびいて、また戻る。常に鍛えておいて、これという時に役に立つことと、もう1つは自分の研究の説を曲げない、維持するということ。『無用の用』は役に立つものはみんな役に立つし、役に立たないのも役に立つんだよと。そういう化学もある」

當被問到支撐長久研究人生的座右銘時——

京都大學・北川進 副校長 說：

「『勁草』。強風一吹，花都會被吹散，但強韌的草——也就是雜草，卻能隨風彎曲，然後再度挺立。這代表平時就要不斷鍛鍊自己，關鍵時刻才能派上用場。另一層意思，是要堅持自己的學說，不隨意動搖。還有一句我很喜歡的話——『無用之用』。意思是，看似有用的東西當然有用，而那些看似無用的東西，其實也自有其用處。化學這門學問中，也存在這樣的精神。」

「細菌学の父であるルイ・パスツールが『幸運は準備された心に宿る』という名言を残しています。なにかというと、私の流れを見たときに、いい先生にめぐまれて、いい友達に、そして学会でいろんな付き合い、それが実は準備されたことになる。ある日突然、宝くじをひいたから当たるもんじゃない。だからみなさん自分の育っていく過程でいろんな経験するけど、それを大切にして将来花開く可能性がある、ということを言いたい」

他又補充說：

「被譽為細菌學之父的路易・巴斯德曾留下名言：『幸運是留給有準備的心靈的。』這句話的意思是，回顧我自己的人生，我能遇到好的老師、好的朋友，以及在學會中結識的各種夥伴——這一切，其實都是一種『準備』。幸運並不是像中樂透一樣的偶然，而是長期準備的結果。希望大家在成長的過程中珍惜每一段經驗，因為那些經驗都可能在未來的某一天開花結果。」