拿诺奖的MOF到底是什么？干旱地区“空中取水”竟靠它？

不久前，2025年诺贝尔化学奖揭晓，三位为金属有机框架（Metal-Organic Frameworks，简称MOF）的发展做出重大贡献的科学家——北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）和奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi），获得了这一表彰。

MOF是什么？它为何能把三位科学家推举上诺贝尔的领奖台？它对于人类社会有怎样的价值与意义？近期，我们就MOF及材料学话题，与纪源资本投资副总裁吕一然进行了一番对话。吕一然是一名材料学专业的博士，先后在清华大学、美国哥伦比亚大学和美国布朗大学攻读材料科学与工程专业。

MOF即Metal-Organic Frameworks，是由金属和有机物组合成的晶体结构，可以理解成由无数个规则排列的“小房间”组成。晶体是重复结构，如家里吃的盐（氯化钠），无限放大后内部仍是不断重复的晶体结构。MOF的功能实现原理是通过控制“小房子”（MOF结构）的形状、大小及表面官能团，改变其吸引物质。例如表面官能团A吸引分子小a，分子小a就可能被吸附并固定在里面。相比活性炭或凹凸棒等其他材料，MOF材料的孔洞更密、更均匀，也更可控，因此更有机会用来做“定向吸附”和“精准筛选”，解决很多以往材料难以处理的分离与捕集问题。

MOF材料所具备的这些看上去十分神奇的特性，能够解决实际市场中的真需求吗？对于同样的需求，现有的材料与技术不能提供解决方案吗？

MOF可以吸附气体，从而可以为装修过后的房间除甲醛。然而，现有的活性炭以及凹凸棒，是不是也可以实现？MOF可以吸附液体，从而可以为缺水地区运送生活用水。然而，污水回收与海水淡化技术，已经很成熟了。如果MOF在今天所能做的很多事情，其他材料与技术在昨天就已经能做到了，那么它对于明天的价值与意义究竟是什么？

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诺贝尔的获奖者们也都曾在回答：这项研究如何应用到现实场景中？

其实，从MOF诞生的那一刻起，关于它“真的有用吗”的质疑就一直存在。

MOF技术的奠基者理查德·罗布森，在1974年的课堂上第一次萌生“分子建筑”的灵感。十多年后，他动手验证了自己的想法，并真的构造出了内部拥有大量空腔的晶体结构。罗布森预言：此类材料可能获得前所未有的特性，其中或蕴含巨大应用潜力。

然而，由于彼时罗布森所构造的初期材料稳定性不佳，易分解，被业内许多人士判定为“无用之作”。

接力棒交到北川进的手中。事实上，尝试发掘“无用之物的价值”本就是北川进的重要治学理念。在对MOF早期的研究进程中，由于难以证明研究的实用价值，一度难以申请到资助经费。

1997年，北川进的团队取得首次重大突破：他们利用钴、镍或锌离子与名为4,4′-联吡啶的分子，构造出由开放通道交错的三维金属-有机框架，并展现出前所未有的稳定性，能够在吸附并排出液体，以及甲烷、氧气、氮气等气体的过程中保持形状不变。

 北川进团队研制出的三维金属-有机框架

即便如此，业内依然对这项研究充满质疑：市场上已经有同样可以吸附气体的“沸石”，吸附效果还要优于MOF，为何还要花费资源研制新材料？

面对质疑，北川进将研究的重点转向开发柔性MOF材料。而这，也正是其为MOF发展做出的最重大贡献之一。

   北川进开发的柔性MOF材料

与此同时，奥马尔·亚吉，这位真正为“MOF”命名的科学家，也在这种全新材料的研发道路上进行着自己的开拓。1999年，他的团队研发出了MOF-5。这种材料不仅在300℃的高温下都能保持稳定，并且拥有惊人的巨大内部空间——仅仅几克的MOF-5的内部面积就有一个足球场那样大。而这，恰恰会使其吸附能力要远远优于传统的沸石。奥马尔就这样为远在大洋彼岸的北川进解答了来自业内的质疑。

奥马尔团队研发的MOF-5

随后，奥马尔还研发出了多种能够吸附不同物质的MOF材料，乃至创造了干旱地区的“空中取水”奇迹：在夜晚，MOF吸附空中的水汽。到了白天，再释放出液态水，供人们使用。

MOF是否有用？有什么用处？三位诺贝尔获奖者，以及更多材料学科学家，轮番用自己的研究回答着这样的疑问。

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新材料，从实验室走向生活/工业，总要经历关于“有用性”和“可用性”的拷问。

持续了几十年的疑问与回应，如今延续到我们的对谈中，实在不足为奇。回到开篇提出的问题：MOF材料能满足市场中的真需求吗？

吕一然认为，材料学其实是找到最合适的材料去解决具体的问题和需求。而回答这一问题的核心在于两点：第一，能否为这项技术找到一种“杀手级应用（Killer Application）”；第二，则是要算账，看看通过不断降本增效，新的技术能否在解决市场需求时比旧的技术更划算。

前面提到的通过MOF材料在干旱地区进行“空中取水”的案例，是一个很好的观察样本。这个案例发生在中东。

中东有个特点：虽然很多地区陆地上的可使用淡水存量不多，但是因为靠近海洋，空气湿度是比较大的。在这种环境下，MOF的超强吸附力就可以大展身手——去成为杀手级应用。

当然，如我们所知，中东的海水淡化技术是很成熟的。那么，MOF空中取水对于市场而言的存在价值是什么？那就是要来算账。传统的海水淡化技术，需要为运送水来支付一笔不可忽视的成本。那么，如果MOF的材料成本可以低于海水的运送成本，那么它就可以顺理成章地在这一地区将传统的技术与产业取而代之，从而真正嵌入市场，满足市场的真需求。

吕一然提到，其实在材料领域，很多种满足了市场“真需求”的材料，都不是在技术诞生的第一天就能进入应用端。

比如同样赢得了诺贝尔化学奖青睐的锂电池，在它被学术界发明的约40年后，也就是2019年，才获此殊荣。我们也看到，在过去的十几年中，锂电池的续航能力，循环寿命，安全性等核心指标都不断提升。从应用端来看，锂电池也越来越广泛地被应用到消费电子、电动车、储能中。自1991年首次投入商用，该类电池的成本已经下降了97%。到2030年，锂电池的成本预计再降低25%。从成本端来看，随着锂电池自身的不断升级和降本，相较于油车而言，属于电车的那笔账越来越算得过来。电动汽车，也随电子产品之后，成为了推举锂电池的下一个流行应用。

而碳纤维，作为另一款至今依然颇为耀眼的新材料，在被发现的早期，强度不够高，但成本居高不下，只在航空等少量方向应用；随着近20年的工艺优化，强度实现3-4倍，成本也大幅下降90%以上，也找到了更多适合自己的赛道，碳纤维赛车、碳纤维自行车、碳纤维球拍、碳纤维球杆……

类似的还有GORE-TEX材料。虽然这种被广泛应用于冲锋衣的材料至今依然成本不低，但因为其“透气不透水”的特性，既能让人顺畅散发汗汽，又能在下雨天起到防水作用，成为了户外运动爱好者们青睐的对象。

相比之下，铝，之所以在今天被广泛应用，则是因为其成本的大幅下降。在拿破仑时期，乃至十九世纪中叶，铝的价值要远高于黄金。是电解铝的技术，让铝的产量大大提升，使其走下了王室级别的高贵神坛，走入了无数普通人的生活。

“碳纤维、锂电池等案例也说明，降本打开了应用场景，从而形成了大型的产业链，后续进一步把成本降低，从而开启更多的应用场景”，吕一然介绍，“然而，也确实有很多很有特点的创新材料，因为没有找到杀手级应用场景，或者因为账面上始终不够划算，一直被卡在研发与市场应用的交界地带。”

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材料学，让我们思考到了什么？

材料学是一个神奇的学科。

它是科学与工程的统一。每一分对于科学理论、规律、公式、定理的探索，都是为了有朝一日令其在工程层面上得以展现与执行。

它是微观与宏观的统一。我们在微观世界的苦心钻研，为的是终有一天让全新的材料在宏观世界，在市场应用中大放异彩。在吕一然看来，材料学的本质正是“Structure Determines Function”——微观结构决定宏观性能，而现代材料学的核心逻辑，正是通过精准调控微观结构，实现宏观性质的定向优化与革新。

它也是当下与未来的统一。MOF的奠基者理查德·罗布森出生于1937年。他在钻研早期MOF技术的时候，这个世界还没有接通互联网，甚至还没有进入全球化。当然，也没有多少人能明白他当时在做什么。而在2025年的今天，这位88岁的科学家听到了世界给予他的回声。这位88岁老人在几十年前发出的惊呼，在今天听来，依然是能够通达未来的强音。

活在当下的我们，往往会觉得，自己所处的这个世界已经挺好的了，自己的需求已经被满足了。当第一辆开上路面的汽车被马车超过时，人们也难免发出窃笑：这是在干嘛？有必要吗？坐马车不香吗？搞这四个轮子的铁盒子意义何在？

但不知为何，在每一个时代，总有人觉得，多数人眼中已经足够好的世界其实还可以更好。当北川进和奥马尔·亚吉被问及他们的研究到底意义何在的时候，他们的心情或许正是如此。

今天，MOF技术还已经被应用于对靶向药的递送，以及被北欧的一些科学家们用来吸附空气中的二氧化碳，从而改善全球温室效应的状况。在今天或许无法确定，这些人类群星闪耀时投入的无数精力和时间，是否一定能满足人类世界的实用性需求，但是科学永远值得被尊敬。

正如材料学的研究，就是“用恰当的结构去实现恰当的功能”，再在真实需求里寻找真正可落地、可算账的应用——而每一次探索，都是走向答案不可或缺的一步。

本文来自微信公众号“纪源资本”，作者：纪源资本，36氪经授权发布。