“超级海绵”创造空间奇迹

2025-10-13

全新材料

人们可以将这些框架化合物想象成分子级的空间奇迹，它们的内部如同被施了魔法般扩大了：其奥秘在于无数个空腔，就像海绵里的腔体一样。其他分子可以进入这些腔室。如果将这些腔室展开，就会形成一块巨大的面积：足足有一个足球场那么大。拉姆斯特伦说：“它们从外面看很小，但内部却巨大无比。”

这三位因“超级海绵”而获奖的科学家分别是就职于澳大利亚墨尔本大学的理查德·罗布森、日本的北川进，以及出生于约旦、目前拥有沙特阿拉伯和美国国籍并在加利福尼亚大学从事研究的奥马尔·亚吉。

诺贝尔委员会称赞这三位科学家创造了一类具有“前所未有特性”的“全新材料”。这些材料具有广泛的实际用途。例如，可以用它们过滤水中的污染物，捕获空气中对气候有害的二氧化碳，或从废弃物中回收原材料。

尽管这些分子化合物目前尚未得到广泛应用，但专家们认为其未来潜力巨大。德国科学院院长贝蒂娜·罗肯巴赫认为，三位获奖者的研究成果具有“开创性”，或将有助于“应对紧迫的可持续性和环境挑战”。

对金属有机框架化合物的研究可以追溯到上世纪80年代。当时，墨尔本大学化学家罗布森在研究中受到了钻石有序结构的启发。尽管钻石结构非常致密，但他创造出一种带有空腔的结构。驱使他的是好奇心：因为当时的化学领域尚无此类结构。

完美晶体

罗布森进行了理论计算，并确定带电荷的铜原子和由碳氢化合物构成的分子连接件是合适的“配料”。他小心翼翼地将这些配料与溶剂混合，然后按照精心设计的配方让溶剂蒸发。最终，他成功使他的化合物在多孔状态下凝固：第一块“超级海绵”由此诞生。

第二位获奖者北川进在东京都立大学推动了这种材料的研究。他创造了更多的空腔化合物，并证明它们能够吸收气体，例如甲烷、氧气或氮气。几乎更重要的是，它们在需要时也能将气体再次释放出来。也就是说，它们的功能就像一个存储器。

最后，奥马尔·亚吉在上世纪90年代于亚利桑那州立大学改进了框架化合物的制造方法。他成功地改进了“配料”，使得空腔几乎可以任意调整。同时，这些材料的耐受性也越来越强，能够承受高达300摄氏度的高温。

几年前，亚吉在美国《化学和工程消息》周刊网站的播客中回顾了自己的成功：早在学生时代，他就曾设想过这样的结构。“但当我走进实验室尝试制造它们时，只得到了一团不成形的物体，”他说，“现在，我们找到了一种方法，可以将它们制造成完美的晶体材料。”

化学家们很快意识到，这些材料在他们眼中不仅“完美”，而且可能很有用。北川、亚吉和其他研究人员成立了初创公司，旨在将他们的发现从实验室推向世界。例如，他们梦想用这些“超级海绵”来制造防爆的氢气储存和运输容器。

然而，对这些新材料的期望至今仅部分实现。一方面，有时杂质也会沉积在空腔中，给应用带来困难。另一方面，生产成本相对较高。不过，专家们预计，如果有公司开始大规模生产，生产成本会随之下降。

前景广阔

这些框架化合物可能很快会在气候保护方面发挥优势。多孔材料非常适合过滤废气中的温室气体二氧化碳。自今年起，加拿大一家公司开始生产基于金属有机框架化合物的二氧化碳过滤器。据称，每年可从空气中过滤掉1000万吨温室气体。这几乎相当于德国汉堡市的碳排放量。

而化学家亚吉对他的空腔材料还有另一个设想。他用这些材料制造看起来像微型望远镜的设备。它们无需电力即可从空气中提取水分。亚吉希望未来能以此对抗干旱地区的水资源短缺问题。他曾在一篇研究文章中写道，他的设备可使水“成为一项人权”。

2022年，亚吉和他的合作者在美国死亡谷(地球上最炎热和最干燥的地方之一)测试了这款集水装置的原型机。经过一夜，装置中自行收集到了水。当次日气温攀升至约60摄氏度时，其海绵状化合物又将水释放了出来。

收集到的水量：最多可达1杯。