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一项诺奖成果,可能将改变你家的猫砂

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3 克粉末,能有多大?

放在手里也就小小一撮,可如果把它内部的表面积全部展开,竟然足以覆盖整整一个足球场。

听起来是不是很不可思议,这不是天方夜谭,而是“超级材料”——金属有机框架(Metal-Organic Frameworks,简称MOFs)赋予的现实魔法。

2025 年,三位科学家奥马尔·M·亚基(Omar M. Yaghi)、北川进(Susumu Kitagawa)与理查德·罗布森(Richard Robson)因在MOFs 领域的奠基性贡献荣膺诺贝尔化学奖,也让这种原本只活跃在学术论文中的“明星材料”,逐渐走进大众视野。


2025 年诺贝尔化学奖授予金属有机框架(MOFs)材料的三位开创者

为什么一小撮粉末,能够“藏”下一个足球场?MOFs 究竟是种什么材料?又会给我们的生活带来哪些神奇的改变?

一切,都要从它独特的微观结构说起。

纳米世界里的“乐高宫殿”

如果我们将视角缩小到纳米级别,你会发现MOFs 并不是一块实心材料,而更像是一座由“积木”精密搭建的、充满房间和通道的宏伟宫殿。

搭建这座宫殿的“积木”只有两种:

一种是金属离子(或金属簇),它们就像乐高积木里的连接节点;另一种是有机配体,像梁柱一样,把这些节点连接起来。

更神奇的是,这个“拼接”过程不需要科学家自己亲自动手。他们只需要通过化学设计提前设计好“积木”的种类和结构,这些金属节点与有机配体便会通过一种叫做“配位键”的强力胶水自动组装、编织,最终形成具有周期性网格结构的晶体材料。


MOFs 材料的构筑原理与典型结构

这种结构奇妙地结合了无机金属节点的刚性与有机配体的柔性,构筑出能容纳巨量分子的纳米孔道和“分子房间”(有些甚至如迷宫般互通)。

这些“分子房间”,正是MOFs 的神奇之处。

它们虽然每个都小的微乎其微——直径只有零点几到几纳米,大约是头发丝直径的几万分之一,但数量却多得惊人——这也是为什么几克的MOFs粉末,能够“藏”下一个足球场的原因。

想象一下,一栋普通住宅也许只有十几个房间,可如果有人把它改造成一座拥有几百万、几千万个小房间的超级公寓,会发生什么?

房子的外观看起来几乎没有变化,但内部所有墙壁、地板和天花板加起来的总面积,却会成倍增长。

科学家把单位质量,也就是 1 克物质,所有表面的总面积称为比表面积。

目前,个别 MOFs 的比表面积已经超过每克 7000 平方米。

不过,MOFs 真正厉害的地方,不只是拥有巨大的比表面积,还在于它的“可定制性”。

科学家可以通过简单地更换“积木”的种类或改变“梁柱”的长短,精确调控孔洞的大小、形状和内部化学环境,让 MOFs 只“接纳”特定的“客人”分子。这意味着,MOFs 不仅能“装”东西,更知道该装什么、不该装什么。

MOFs 的日常应用

当 MOFs 的“容纳”与“捕获”能力走出实验室,进入到我们的生活中,会发生什么?

一个你肯定想不到的答案——猫砂。


MOFs猫砂样品示意图

想必大家都深有体会,咪虽然可爱,但咪的屎也是真臭。市面上的普通猫砂,更像一块海绵,只能把空气中的臭味分子暂时吸附进去。随着时间推移,这些分子又会慢慢释放出来,异味也就重新出现。

MOFs 提供了另一种思路。

如果说普通猫砂只是“吸住”臭味,那么 MOFs 更像是在空气中布下了一张精密的“网”。

它内部的纳米孔道不仅大小合适,还会优先吸附特定分子。当猫排泄物中的异味分子(如氨、粪臭素、尿酸)靠近时,它们更容易进入这些孔道,并与孔道内壁形成更强的相互作用,不容易再逃出来。

目前,我国科研人员已经在尝试把 MOFs与改性膨润土结合,研发新型高效除臭猫砂[2]。

当然,MOFs 的本领远不止除臭。在医学领域,它还是一位优秀的“药物快递员”。

许多营养素(如维生素)和抗癌药物都面临三大困境:难溶解、易降解、难吸收。口服后,它们常在胃肠道中就被胃酸或酶破坏,真正进入血液发挥作用的部分微乎其微。MOFs 的纳米孔洞能将药物分子“封装”起来,像一艘潜水艇般保护其安全通过胃部强酸环境,抵达肠道碱性环境后再定向释放。例如,MIL-100 等 MOFs 材料负载布洛芬时,载药量远超传统材料,缓释时间可延长至数天,这对需要长期服药的慢性病患者意义非凡[3]。

MOFs 还有着极为宽广的抗菌谱,对革兰氏阳性菌、阴性菌乃至真菌均表现优异,且极大降低了耐药性产生的风险。从医用敷料、食品安全包装到饮用水净化,都有较好的应用前景[4]。

在食品领域,科学家甚至研制出了“可食用MOFs”。利用天然环糊精(源于淀粉)与钾离子合成的环糊精 MOFs,不仅无毒可食用,还能高效封装抗菌物质或保鲜剂,延长水果保质期;也可将其拓展至功能性宠物食品领域,制备 MOFs 猫粮,通过负载营养增效成分、肠道抑菌因子等,提升猫粮营养吸收率与功能性。

如果把目光再放远一点,MOFs 的“舞台”还会变得更大[5]。

面对全球气候变化,人们希望减少空气中的二氧化碳排放。CALF-20 等MOFs 材料可以像海绵一样,从工业废气中选择性吸收二氧化碳,再通过简单处理将其释放出来,实现循环利用,为碳捕集与碳封存技术提供新的解决方案。

在新能源领域,它还能储存氢气、甲烷等清洁能源。由于内部拥有大量规则孔道,同样体积下,它能够储存更多气体,有望让未来储氢设备变得更加轻便、安全。

甚至,在一些极度缺水的地区,MOFs 还能直接从空气中“取水”。

空气中其实一直存在着看不见的水蒸气,只是浓度很低,难以利用。而一些特殊设计的 MOFs,即使在空气湿度较低的环境下,也能够主动捕获水分子。等太阳升起、温度升高后,再把这些水分释放出来,凝结成液态淡水。

对于缺水地区来说,这意味着未来或许不用依赖河流和地下水,仅靠空气,就有机会获得稳定的饮用水来源。


集水装置及运行参数

更重要的是,MOFs 不是一次性耗材。通过简单改变化学环境,其配位键可以可逆地断开与重组,实现回收利用。

总结

尽管目前多数的 MOFs 大批量生产成本还偏高,但随着 2025 年诺贝尔化学奖所带来的关注及合成工艺的不断进步,这些能够筑起纳米宫殿的“分子积木”,正坚定地走出实验室,迈入我们的日常生活。

从家里的猫砂、猫粮、创可贴、生鲜包装,到治病缓释药物、新能源汽车,再到沙漠取水、工厂减碳,一个由 MOFs 构建的更清洁、更健康、更可持续的世界,正在我们手中一块块“搭建”成型。

参考文献

[1]GAGLIARDI L. Profile of Richard Robson, Susumu Kitagawa, and Omar M. Yaghi: 2025 Nobel laureates in Chemistry [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026, 123(20): e2605022123.

[2]李雪瑶. 宁城猫砂走向世界[EB/OL]. 内蒙古日报·草原云, (2025-09-19)[2026-06-20].

[3]Tong P, Wang R, Zhou Y, et al. Enhancing the targeting ability of metal-organic frameworks in cancer therapy and diagnosis [J]. Nature Reviews Chemistry, 2026, 10(4): 1-19.

[4]北京科技大学. 一种TiO2@Ag/Ti-MOF功能材料及其制备方法: 202411496114. X[P]. 2025-12-09.

[5]Kim H, Yang S, Rao R S, et al. Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight [J]. Science, 2017, 356(6336): 430-434.

策划制作

作者|董文钧 北京科技大学材料科学与工程学院教授

审核|范勇 吉林大学化学学院教授

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