無形的建築：金屬有機框架如何重塑化學的疆界

文/闕特·居披梯博士

發表於2025/10/8

當化學家首次夢想以原子為單位建構材料時，這個念頭幾乎像科幻小說——一個由金屬與有機分子組成的「分子樂高宇宙」，能拼湊出肉眼無法見的結構，卻足以淨化空氣、儲存氫氣，甚至從乾涸的沙漠中擷取水分。

2025年的諾貝爾化學獎，頒給了三位將這個夢想化為現實的先驅： 京都大學的北川進(Susumu Kitagawa)、墨爾本大學的 理查・羅布森(Richard Robson），以及加州大學柏克萊分校的 奧馬・雅吉(Omar M. Yaghi）。

他們共同開啟了材料科學的新篇章——發展出一類結合金屬剛性與有機化學靈活性的晶體化合物：金屬有機框架(Metal–Organic Frameworks，簡稱MOFs），這些結構廣闊、通透，為化學創造出前所未有的空間。

一、由「空」而生的革命

乍聽「框架」一詞，似乎平凡無奇；然而在化學的世界裡，「空」即是「可能」。

金屬有機框架是一種分子支架，由金屬節點(如鋅、銅或鉻)與有機連接體——以碳為骨架的分子——相連，構築出規則重複的網狀結構。這樣的固體大部分是「空的」，而正是這份空洞，使MOF擁有驚人的力量。MOF的內部表面積可達每克7000平方公尺——相當於一座足球場的面積被折疊進一小匙粉末之中。在這些微觀空腔裡，氣體與分子可被精準捕捉、儲存或轉化。

在一個亟欲脫碳、淨化空氣與確保潔淨水源的時代，MOF已成為化學世界的「瑞士刀」——小巧卻萬能。

二、從脆弱起點到實用材料

這個故事，可追溯至1980年代末。

當時的羅布森(Richard Robson)首次構想以金屬離子作為「節點」、有機分子作為「樑柱」，組合成三維網路。這些早期結構預示了一種全新的物質組裝方式，但卻極為脆弱——暴露在空氣或溶劑中便會坍塌。

在日本，北川進(Susumu Kitagawa)補上了缺失的一塊。他在1990年代證明，MOF能「呼吸」——在吸收與釋放氣體時會膨脹與收縮，卻不致碎裂。這一突破，讓MOF從實驗室的化學奇物，進化成具備功能與彈性的材料。

接著登場的是奧馬・雅吉(Omar M. Yaghi）。他於1999年合成出具代表性的MOF-5，這是一種由鋅與苯二甲酸連接體構成的穩定結構，兼具卓越的比表面積與耐久性。

它證明了MOF不僅能被製造，更能被「設計」——孔洞的大小、形狀與功能皆可量身定制。雅吉將這門嶄新的化學稱為 「網狀化學」（reticular chemistry）——以分子為線，織出預定的結構。

三、從大氣到未來的應用版圖

如今，全球已合成出成千上萬種MOF，各具獨特性能。

有些可捕捉二氧化碳，充當分子篩網，從廢氣中過濾溫室氣體；有些則能儲存氫氣或甲烷，為潔淨能源車提供燃料。雅吉的團隊甚至設計出能以陽光為能量，從乾旱空氣中提取水分的MOF，將科幻化為救命科技。

與此同時，北川的「呼吸型MOF」持續啟發了生醫與催化應用——分子層級的柔韌性，使其能在特定反應或藥物釋放中精準運作。研究者更預見其未來可延伸至電子學、感測器乃至量子材料領域，藉由規則的孔隙導引電子或光子的流動。

四、框架的哲學

在獲獎後的訪談中，北川進回顧道：

「在化學中，『空』長久以來被視為虛無，但我們證明了——空也能有結構。」

這句話道出了MOF不僅是一門科學，更是一種哲學。它的力量不在於「填滿什麼」，而在於「創造空間」。

羅布森構想了無形的架構，北川為其注入生命，雅吉賦予它設計。他們三人共同將化學從「研究物質」的學問，轉化為「建構空間」的藝術——這是屬於物質與環境雙重挑戰時代的，最優雅的勝利。

參考資料

Nobel Prize in Chemistry 2025 – “For the development of metal–organic frameworks.” The Nobel Foundation Press Release.

Kitagawa, S. (1998). Porous coordination polymers. Bulletin of the Chemical Society of Japan, 71.

Yaghi, O. M. et al. (1999). Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal–organic framework. Nature, 402, 276–279.

Robson, R. (1990). A new class of coordination polymers. J. Chem. Soc., Dalton Trans., 1475–1479.

Furukawa, H., Cordova, K. E., O’Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (2013). The chemistry and applications of metal–organic frameworks. Science, 341(6149), 1230444.