北京时间10月8日17时45分，瑞典皇家科学院将2025年诺贝尔化学奖授予日本京都大学教授北川进（Susumu Kitagawa）、澳大利亚墨尔本大学教授理查德·罗布森（Richard Robson）、美国加州大学伯克利分校奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi），以表彰其“开发出一种全新的分子结构类型”。 在1992年至2003年间，他们各自独立地取得了一系列突破性发现。三位获奖者创造的结构——金属有机框架（metal-organic frameworks, MOFs），包含巨大的空腔，分子可以在其中自由进出。研究人员已经利用这些结构从沙漠空气中提取水分、从水中去除污染物、捕获二氧化碳以及储存氢气等。
01获奖者故事
奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi）
奥马尔·亚吉
偷偷溜进图书馆的少年对化学情有独钟奥马尔·亚吉出生于1965年，攻读化学对他而言并非理所当然的选择。他和他的众多兄弟姐妹在约旦安曼的一个缺水少电的单间里长大成人，学校是他逃离艰辛生活的避难所。一天，十岁的压吉偷偷溜进学校内通常上锁的图书馆，随手从书架上抽出一本书。打开书后，他的目光被一些难以理解但引人入胜的图片所吸引——这是他与分子结构的初次相遇。15岁时，在父亲的严令之下，亚吉移居美国求学。他被化学所吸引，并最终对设计新材料的艺术产生了兴趣，但他发现传统构建新分子的方式实在令人难以捉摸。通常，化学家会把不同物质放入一个容器进行混合，然后加热容器引发化学反应。这样确实能形成目标分子，但往往也伴随一系列的副产品污染。1992年，当亚吉首次在美国亚利桑那州立大学负责一个研究小组时，他希望找到更可控的方法来创建新材料。他的目标是利用理性设计，像搭乐高积木一样连接不同的化学成分来制造大型晶体。当然，事实证明这相当具有挑战性的，然而随着研究团队开始将金属离子与有机分子结合时，他们最终取得了成功。1995年，亚吉发表了两种不同二维材料的结构，它们像网一样，由铜或钴连接而成。后者可以在其空间中容纳客体分子，当这些空间被完全占据时，该结构非常稳定，可以加热到350°C而不会坍塌。亚吉在《自然》杂志的一篇文章中描述了这种材料，并创造了“金属有机框架”（MOF）这个名称。该术语现在用于描述由金属和有机（碳基）分子构筑而成的、可能含有孔穴、延展有序的分子结构。方寸容纳天地的框架1999年，亚吉向世界展示了MOF-5，从而在金属有机框架的发展中树立了下一个里程碑。这是一种极其宽敞且稳定的分子结构。即使在空置状态下，它也可以被加热到300°C而不会崩溃。然而，令众多研究人员深感惊叹的是，这种材料的立方空间内隐藏着巨大的表面积。当充满水或甲烷时，它会改变形状；当排空时，它又会恢复原状。这种材料的行为类似一个可以吸入和呼出气体的肺，既可变又稳定。1999年，亚吉构建了一种非常稳定的材料MOF-5，它具有立方形的空间，仅几克材料的表面积就相当于一个足球场。从沙漠空气中变出饮用水奥马尔·亚吉在2002年和2003年继续为金属有机框架添砖加瓦。在《科学》和《自然》的两篇论文中，他证明可以通过合理的方式调整和改造MOF并给予其不同的特性。他一口气制造出16种MOF-5的变体，其孔穴比原始材料更大或更小（下图）。其中一个变体可以储存大量的甲烷气体，亚吉建议将其用于可再生天然气（RNG）燃料汽车。此后，金属有机框架风靡全球。研究人员开发出一套分子工具箱，其中包含各种不同的构建单元用于创建新的MOF。这些MOF具有不同的形状和特性，为用于不同目的MOF理性和AI设计提供了巨大潜力。亚吉的研究小组已经从亚利桑那州的沙漠空气中收集了水。在夜间，其MOF材料从空气中捕获水蒸气。当黎明来临，阳光加热材料时，他们就能收集到水。
北川进（Susumu Kitagawa）
座右铭：无用之物亦可成大器北川进出生于1951年，在日本京都大学获得化学博士学位，目前担任京都大学的教授，他也是MOF领域的另一位开创者。在整个研究生涯中，北川进都遵循一个重要原则：尝试看到“无用之用”。年轻时，他读过诺贝尔奖得主汤川秀树的一本书。在书中，汤川引用了中国古代哲学家庄子关于“无用之用”的话，庄子说我们必须质疑自己认为有用的东西。即便某个物品不能带来直接的好处，它仍可能被证明是有价值的。因此，当北川进开始研究创造多孔分子结构的可能性时，他并不认为它们必须有特定的用途。当他在1992年展示自己第一个分子结构时，这确实没什么用：这是一种二维材料，其孔穴中可以容纳丙酮分子。然而，这是分子构筑新思维的产物。北川进希望继续尝试这种新的构建技术，但当他申请经费时，研究资助机构认为他的雄心壮志没什么特别的价值。他创造的材料不稳定且没有用途，因此他的许多提案都被拒之门外。1997年，北川进成功创造出一种具有开放通道的金属有机框架。这些通道可以填充不同种类的气体。该材料可以在其结构不受影响的情况下释放这些气体。然而，他没有放弃，并于1997年取得第一个重大突破。北川研究小组使用钴、镍或锌离子和一种名为4,4′-联吡啶的分子，构建出一个具有开放通道的三维金属有机框架（上图）。当他们将其中一种材料彻底干燥（也就是排空其中的水分）后，该机构依然稳定，并且其中的空间甚至可以容纳气体。这种材料可以吸收和释放甲烷、氮气和氧气，而形状保持不变。洞察其作品的独特性北川进创建的结构既稳定又具功能性，但研究资助机构还是没能发现其内在魅力。原因之一是化学家已经拥有了沸石（一种由二氧化硅构成的稳定多孔材料）。既然沸石也能吸收气体，为什么还要开发一种性能还不如它的类似材料呢？1998年，北川进提出可以制造柔性金属有机框架。为了获得重大资助，北川进意识到必须明确金属有机框架的独特性。因此，他于1998年在《日本化学会志》上阐述自己的愿景，提出了金属有机框架的若干优点。例如，它们可以由多种类型的分子构成，因此有望同时具备多种不同的功能。此外，更重要的是他意识到金属有机框架可以制造柔性材料。与通常是硬质材料的沸石不同，金属有机框架包含柔性分子构建单元，从而可创建出柔性材料。此后，他所做的就是将自己的设想付诸实践。北川进与其他研究人员一起，开始开发柔性金属有机框架。
理查德·罗布森（Richard Robson）
开创新思路源自一个简单分子模型理查德·罗布森于1937年生于英国，1959年和1962年分别获得牛津大学理学学士学位和博士学位，目前担任墨尔本大学教授。1974年，当时已在墨尔本大学任教的罗布森接受了一项任务——用木球制作原子模型，以便学生们能构建一个分子结构。为此，他需要在木球上钻孔，以便把代表化学键的木棍连接到原子上。然而，这些孔洞不能随意设置，包括碳、氮或氯在内的每一种原子都以特定的方式形成化学键。罗布森需要准确标识钻孔的位置。当工厂把木球送回时，罗布森尝试搭建一些分子。他当时灵光一闪：孔洞的位置蕴含了海量的信息。孔洞的位置设定好后，木质模型就会自动呈现正确的形状和结构。这个发现引发了进一步的设想：如果利用原子固有的特性来连接不同类型的分子，而不是单个原子，会发生什么？能否设计出新型的分子结构？构建创新的化学作品每一年，当拿出木制模型为新生授课时，同样的想法都会浮现在罗布森的脑海中。然而，十多年后他才决定把想法付诸实践。他从一个非常简单的模型开始，灵感来自钻石的结构，其中每个碳原子与其他四个碳原子键合，形成一个微小的金字塔（如下图）。罗布森的目标是构建一个相似的结构，但他的结构基于带正电的铜离子。与碳一样，铜离子也倾向于与周围的四个其他原子结合。他将铜离子与一个有四条臂的分子——四甲烷（4-氰基苯基）——结合。你无需记住这个复杂的名字，但重要的是，该分子每条臂的末端都有一个带正电的铜离子吸引的化学基团——腈基。理查德·罗布森的灵感来自钻石的结构，其中每个碳原子都与另外四个碳原子相连，形成金字塔状。当时，大多数化学家会认为，将铜离子与这种伸出四条臂的分子结合，只会得到一团乱麻般的离子和分子。然而，正如罗布森预测的那样，离子和分子之间固有的吸引力发挥作用并自发地组织成一个巨大的分子结构。就像钻石中的碳原子一样，它们形成了一个规整的晶体结构。然而，与致密的钻石不同，这种晶体包含大量庞大的孔穴。1989年，罗布森在《美国化学会志》发布其创新的化学作品。在文章中，他展望未来，提出这可能提供一种构建材料的全新方法。他写道，这些材料或许具有前所未有、相当有益的特性。事实证明，他预见了未来。为化学界带来开拓精神在其开创性成果发表的第二年，罗布森又展示了数个新型的分子结构，其孔穴中填充了各种物质。他利用其中一种完成了离子交换，将这种充满离子的结构浸入含有另一种离子的液体中。这表明物质可以进入或离开这类结构。在其实验中，罗布森证明了可以利用巧妙的设计来构建内部空间宽敞的晶体，并针对特定化学物质予以优化。他提出，这种新型分子结构（如果设计得当）具有催化化学反应等作用。然而，罗布森的结构相当脆弱，容易散架。不少化学家认为毫无用处，但有人看到其发现的潜力，罗布森对未来的设想点燃开拓精神。为其愿景奠定坚实基础的正是北川进和奥马尔·亚吉。02全新分子结构造福人类
“金属有机框架结构”的用途非常广泛。研究人员已利用该结构从沙漠空气中收集水分、提取水中的污染物、捕获二氧化碳，以及储存氢气。
而这类结构中的其他类型则用来定制捕捉二氧化碳、从水中分离全氟和多氟烷基物质（PFAS）、在体内递送药物或处理剧毒气体。某些金属有机框架还可以吸附水果释放的乙烯气体，从而延缓其成熟；有些则能包裹酶，以降解环境中的痕量抗生素。得益于这几位获奖者的工作，化学家得以设计出数以万计的不同MOF，创造新的化学奇迹。
捕获二氧化碳和有毒气体的MOF材料
研究人员已经创造出无数不同种类且功能强大的MOF。到目前为止，在大多数情况下，这些材料仅在小规模上使用。为了让MOF材料造福人类，很多公司现在正投资其大规模生产和商用，一些公司已经取得了成功。例如，电子工业现在可以使用MOF材料容纳生产半导体所需的部分有毒气体。另一种MOF则可以分解有害气体，包括一些可用作化学武器的气体。许多公司还在测试能够从工厂和发电站捕获二氧化碳的材料，以减少温室气体排放。
有些研究人员认为，金属有机框架具备的巨大潜力足以使其成为二十一世纪的材料。北川进、罗布森和亚吉为化学家们提供了解决我们面临的一些挑战的新机会，从而最大程度地造福人类，正如阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱所言。03
化学改变生活：诺奖百年回眸
诺贝尔化学奖虽然听上去“高冷”，但实际上它离我们并不远，很多研究成果都在悄然改变着日常生活。
煎荷包蛋时为什么不会粘锅？雨衣为什么能防水？光合作用是如何产生？是什么破坏了臭氧层……这些问题都能在化学奖得主的研究成果中找到答案，科学家的发现，让人们对世界的看法有了根本改变。以下为诺贝尔化学奖的百年回眸：
1902年：甜美如糖的化学
上世纪初的这一年颁发的化学奖可谓“甜甜美美”：菲舍尔（Hermann Emil Fischer）因为对于糖的研究而成为首名获此奖项的德国人。他的成就包括发明了一种方法，用来描述糖分子的复杂三维结构。
1904年：气球里的氦气
苏格兰人拉姆齐爵士（Sir William Ramsay）发现了惰性气体元素。这些元素是空气的固定组成部分，很少与其他物质发生反应。用来给气球充气以让它们能够升空的氦气也是惰性气体的一种，此外还包括霓虹灯里使用的氖。
1907年：不用活细胞也能酿啤酒
德国人比希纳（Eduard Buchner）发现，发酵过程并不一定需要活细胞。比如在酿造啤酒的发酵过程中，酵母会把糖转化成酒精。而比希纳证明了，这一过程在使用已经没有活力的酵母细胞也能完成，这在当时是一项令人不可思议的发现。
1911年：光芒四射的发现
居里夫人曾两次荣获诺贝尔奖：1903年她获得物理奖，八年之后又拿下了化学奖。她发现了放射性物质镭和钋。这些元素会进行放射性衰变。自然界中的铀矿石里就含有具有毒性的钋，而吸烟产生的烟雾中也有这一物质。
1915年：多姿多彩的植物
德国化学家维尔施泰特（Richard Willstätter）凭借对植物色素的研究而获得诺贝尔化学奖。尤其是对叶绿素的研究具有重大意义：正是这种物质让植物呈现绿色，并能促成光合作用，把阳光、二氧化碳和水最终转化为糖类。
1918年：化肥横空出世
德国人哈伯（Fritz Haber）发明了用氢气和氮气合成氨的方法。这使得人工合成肥料成为可能，加速了农业发展，以应对不断增长的全球人口。但合成氨技术也奏响了炸药生产的序曲。
1927年：自然的助消化剂
威兰德（Heinrich Otto Wieland）也是一名来自德国的诺贝尔化学奖得主，他发现了胆汁酸的结构。胆汁酸是胆汁的主要组成部分，由肝脏合成。它能够帮助人体消化和吸收脂肪。
1939年：为何男女有别
德国人布特南特（Adolf Butenandt）因为在性激素方面的研究而获诺贝尔奖。但希特勒不允许他前去参加颁奖仪式。布特南特首次成功分离出了许多控制人体性功能的荷尔蒙。正是这些物质决定了男性胚胎最终成为男人，女性胚胎成为女人。
1944年：核裂变-天使与魔鬼的合体
哈恩（Otto Hahn）发现了原子的核裂变。如果用较小粒子-中子，撞击质量较重的原子核，后者就会变成两个较小的原子核。这一过程会释放大量能量，以及其他中子，从而构成链式反应。哈恩的发现能够用来生产核电，但也可以制造原子弹。
1958年：糖尿病的奥秘
英国人桑格（Frederick Sanger）揭示了胰岛素的结构。糖尿病人无法制造或者是不能制造足量的胰岛素，因此必须经常通过注射的方式来补充，以维持生命。胰岛素目前已经可以通过基因技术大批量生产。
1963年：终于有了塑料袋！
1963年，德国人齐格勒（Karl Waldemar Ziegler）与意大利化学家纳塔（Guilio Natta）共享诺贝尔化学奖。两人发明了一种能够合成聚乙烯的工艺，而塑料袋正是用这种材料制造的。
1995年：臭氧空洞是如何产生的？
克鲁岑（Paul Crutzen）、莫里纳（Mario Molina）和罗兰（Frank Rowland）的研究项目是大气化学，尤其是臭氧层的产生和分解。这三位学者证明了，臭氧层对于人类社会排放的气体会作出何种反应，从而解释了臭氧空洞的来由。诺奖委员会认为这一成就足以得到表彰。
2008年：闪着绿光的老鼠
化学里有些东西确实挺难懂的，比如“绿色荧光蛋白”。日本人下村修、美国人查尔菲（Martin Chalfie）和生于美国的华裔钱永健（Roger Tsien）对这一物质进行了研究。在自然条件下，这种蛋白会出现在一些水母类动物上。而借助基因技术，老鼠也能产生这种蛋白，这样就能对活体器官的代谢过程进行观察。
2013年：虚拟空间的化学
借助电脑程序，人们可以轻而易举地对复杂的化学结构进行分析，任意进行拼接，并可以预言其反应。三名诺贝尔化学奖得主马丁·卡普拉斯(Martin Karplus)，迈克尔·莱维特(Michael Levitt)和亚利耶·瓦谢尔(Arieh Warshel)为此奠定了基础，并为许多应用铺平了道路，比如在电脑上研发药物。
2014年：微小世界的大英雄
德国物理学家黑尔（Stefan Hell）和美国科学家白兹格（Eric Betzig）、莫尔纳（William Moerner）研制成功了一种突破性的显微技术，将光学显微镜的范围提高到了纳米尺度，甚至可以超高分辨活体组织，比如癌细胞。
2018年：进化革命阿诺德（Frances H. Arnold）、史密斯（George P. Smith）和温特尔（Gregory P. Winter）三位科学家在实验室中创造出了自然界的进化。如今，他们科研方法被应用于药物领域，比如为糖尿病患者生产胰岛素。
2019：锂电池古迪纳夫（John B. Goodenough）、惠廷厄姆（Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino） 的研究成果促成了锂电池的诞生和发展。自1991年首次投入市场以来，锂离子电池为无线通讯和建立无化石燃料社会奠定了基础，彻底改变了我们的生活。
2020年：基因编辑卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和杜德纳（Jennifer A. Doudna）发现了基因编辑技术中最有力的工具之一：CRISPR /cas9基因剪刀。这一工具能够非常精准地改变动物、植物、和微生物的DNA，从而彻底改变了分子生命科学。它为植物育种带来了新机遇，有望催生创新性癌症疗法，并可能治愈遗传性疾病。
2021：非对称有机催化剂本杰明·李斯特（Benjamin List）和美国科学家戴维·麦克米伦（David W.C. MacMillan）研发出非对称有机催化剂，从而使研究人员更有效地制备新的物质，包括新型药物、有能力从太阳能电池捕获光线的分子等。
2022年：开启化学的实用时代
巴里·夏普利斯（Barry Sharpless）和莫顿·梅尔达（Morten Meldal）利用点击化学方法，构建分子的模块快速有效地耦合在一起。他们将化学带入“实用主义”时代并奠定点击化学的基础。卡罗琳·贝尔托西（Carolyn Bertozzi）把点击化学提升至新维度并运用于绘制细胞。目前，在其开创的生物正交反应所获得的多项应用中，就包括为更多癌症的靶向治疗做出贡献。
2023年：为纳米科技播下重要火种
2023年诺贝尔化学奖表彰量子点的发现和发展，量子点是一种非常微小的纳米粒子，以至于其特性由尺寸决定。目前，这些纳米技术的最小组成部分可以从电视和LED灯散发光线，还可以在外科医生切除癌组织时提供照明。研究人员认为，未来量子点可以为柔性电子器件、微型传感器、超薄太阳能电池和加密量子通信等领域发挥作用——因此，在探索这些微小粒子的潜力方面，我们才刚刚起步。
2024年：通过计算和AI揭示了蛋白质的秘密
支撑生命体各种活动的，是体内旺盛且多样的化学反应，而蛋白质发挥了关键作用。然而，天然蛋白质的功能范围是有限的。2024年诺贝尔获奖者提出从头设计全新的蛋白质的全新设想，也通过AI模型预测蛋白质结构，使蛋白质设计成为现实，从而开创了蛋白质工程领域的新纪元，为未来的生物技术和医学应用提供了无限可能。
事实上，不少诺贝尔化学奖获奖者的获奖成就并非出自传统的化学研究，而是涉及生物学、物理学等多重学科，因此诺贝尔化学奖也被调侃为“理科综合奖”。1908年，英国物理学家卢瑟福因“对元素蜕变以及放射化学的研究”，荣获诺贝尔化学奖。他风趣地调侃道：“这是我一生中绝妙的一次玩笑！”