蔡蘊明 譯
於2025年十月八日
(歡迎轉載，但請引述本網址)

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

若有興趣閱讀進階的原文資料，請由下列官方網址取得：
https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/advanced-chemistryprize2025.pdf

• 蔡蘊明現為臺大化學系名譽教授。
• 感謝方俊民教授、張哲健教授與翁紹華博士提供的意見。
• 感謝臺大化學系的蔡明軒幫忙將此文放上化學系的網頁，以及版面設計。

本翻譯文章亦透過 Google NotebookLM AI 軟體轉製成語音檔，有興趣的人士可點選下面的連結收聽：

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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。

可捕獲二氧化碳和有毒氣體的MOF材料

研究人員已經研發出多種功能各異的MOF材料，但迄今這些材料大多僅小規模應用。為了充分利用MOF材料造福人類，許多公司正在投資其大規模生產和商業化，而其中一些公司已經取得了成功。例如，電子業現在可以使用MOF材料來吸收生產半導體所需的一些有毒氣體。另一種MOF材料卻可以用來分解有害氣體，包括一些可用於化學武器的氣體。許多公司也正在測試能夠將工廠和發電廠所產生的二氧化碳捕捉下來的材料，以減少溫室氣體排放。

一些研究人員認為，金屬有機骨架材料潛力巨大，可望成為21世紀的代表材料。時間會證明一切，但透過金屬有機骨架材料的開發，北川進（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）和奧馬爾·亞基（Omar Yaghi）為化學家提供了新的機會，來解決我們面臨的一些挑戰。正如諾貝爾的遺囑所述，他們為人類帶來了最大的福祉。