一項諾獎成果，可能將改變你家的貓砂

3 克粉末，能有多大？

放在手里也就小小一撮，可如果把它內部的表面積全部展開，竟然足以覆蓋整整一個足球場。

聽起來是不是很不可思議，這不是天方夜譚，而是“超級材料”——金屬有機框架（Metal-Organic Frameworks，簡稱MOFs）賦予的現實魔法。

2025 年，三位科學家奧馬爾·M·亞基（Omar M. Yaghi）、北川進（Susumu Kitagawa）與理查德·羅布森（Richard Robson）因在MOFs 領域的奠基性貢獻榮膺諾貝爾化學獎，也讓這種原本只活躍在學術論文中的“明星材料”，逐漸走進大眾視野。

2025 年諾貝爾化學獎授予金屬有機框架（MOFs）材料的三位開創者[1]

為什么一小撮粉末，能夠“藏”下一個足球場？MOFs 究竟是種什么材料？又會給我們的生活帶來哪些神奇的改變？

一切，都要從它獨特的微觀結構說起。

納米世界里的“樂高宮殿”

如果我們將視角縮小到納米級別， 你會發現 MOFs 并不是一塊實心材料 ， 而更像是一座由“積木”精密搭建的、充滿房間和通道的宏偉宮殿。

搭建這座宮殿的“積木”只有兩種：

一種是金屬離子（或金屬簇），它們就像樂高積木里的連接節點；另一種是有機配體，像梁柱一樣，把這些節點連接起來。

更神奇的是，這個“拼接”過程不需要科學家自己親自動手。他們只需要通過化學設計提前設計好“積木”的種類和結構，這些金屬節點與有機配體便會 通過一種叫做“配位鍵”的強力膠水 自動組裝、編織，最終形成具有周期 性網格結構的晶體材料。

MOFs 材料的構筑原理與典型結構：金屬節點與有機配體的可控組裝（左）及其形成的三維多孔骨架（右）

這種結構奇妙地結合了無機金屬節點的剛性與有機配體的柔性，構筑出能容納巨量分子的納米孔道和“分子房間”（有些甚至如迷宮般互通）。

這些“分子房間”，正是 MOFs 的神奇之處。

它們雖然每個都小的微乎其微——直徑只有零點幾到幾納米，大約是頭發絲直徑的幾萬分之一，但數量卻多得驚人——這也是為什么幾克的 MOFs 粉末，能夠“藏”下一個足球場的原因。

想象一下，一棟普通住宅也許只有十幾個房間，可如果有人把它改造成一座擁有幾百萬、幾千萬個小房間的超級公寓，會發生什么？

房子的外觀看起來幾乎沒有變化，但內部所有墻壁、地板和天花板加起來的總面積，卻會成倍增長。

科學家把單位質量，也就是 1 克物質，所有表面的總面積稱為比表面積。

目前，個別 MOFs 的比表面積已經超過每克 7000 平方米。

不過，MOFs 真正厲害的地方，不只是擁有巨大的比表面積，還在于它的“可定制性”。

科學家可以通過簡單地更換“積木”的種類或改變“梁柱”的長短，精確調控 孔洞的大小、形狀和內部化學環境，讓 MOFs 只“接納”特定的“客人”分子。這意味著，MOFs 不僅能“裝”東西，更知道該裝什么、不該裝什么。

MOFs 的日常應用

當 MOFs 的“容納”與“捕獲”能力走出實驗室，進入到我們的生活中，會發生什么？

一個你肯定想不到的答案——貓砂。

MOFs貓砂樣品示意圖

想必大家都深有體會，咪雖然可愛，但咪的屎也是真臭。市面上的普通貓砂，更像一塊海綿，只能把空氣中的臭味分子暫時吸附進去。隨著時間推移，這些分子又會慢慢釋放出來，異味也就重新出現。

MOFs 提供了另一種思路。

如果說普通貓砂只是“吸住”臭味，那么 MOFs 更像是在空氣中布下了一張精密的“網”。

它內部的納米孔道不僅大小合適，還會優先吸附特定分子。 當貓排泄物中的異味分子（如氨、糞臭素、尿酸）靠近時，它們更容易進入這些孔道，并與孔道內壁形成更強的相互作用，不容易再逃出來。

目前，我國科研人員已經在嘗試把 MOFs與改性膨潤土結合，研發新型高效除臭貓砂[2]。

當然，MOFs 的本領遠不止除臭。在醫學領域，它還是一位優秀的“藥物快遞員”。

許多營養素（如維生素）和抗癌藥物都面臨三大困境：難溶解、易降解、難吸收?？诜?，它們常在胃腸道中就被胃酸或酶破壞，真正進入血液發揮作用的部分微乎其微。MOFs 的納米孔洞能將藥物分子“封裝”起來，像一艘潛水艇般保護其安全通過胃部強酸環境，抵達腸道堿性環境后再定向釋放。例如，MIL-100 等 MOFs 材料負載布洛芬時，載藥量遠超傳統材料，緩釋時間可延長至數天，這對需要長期服藥的慢性病患者意義非凡[3]。

MOFs 還有著極為寬廣的抗菌譜， 對革蘭氏陽性菌、陰性菌乃至真菌均表現優異，且極大降低了耐藥性產生的風險。從醫用敷料、食品安全包裝到飲用水凈化，都有較好的應用前景 [4] 。

在食品領域，科學家甚至研制出了“可食用MOFs”。利用天然環糊精（源于淀粉）與鉀離子合成的環糊精 MOFs，不僅無毒可食用，還能高效封裝抗菌物質或保鮮劑，延長水果保質期；也可將其拓展至功能性寵物食品領域，制備 MOFs 貓糧，通過負載營養增效成分、腸道抑菌因子等，提升貓糧營養吸收率與功能性。

如果把目光再放遠一點，MOFs 的“舞臺”還會變得更大 [5] 。

面對全球氣候變化，人們希望減少空氣中的二氧化碳排放。 CALF-20 等MOFs 材料可以像海綿一樣，從工業廢氣中 選擇性吸收二氧化碳，再通過簡單處理將其釋放出來，實現循環利用，為碳捕集與碳封存技術提供新的解決方案。

在新能源領域，它還能儲存氫氣、甲烷等清潔能源。由于內部擁有大量規則孔道，同樣體積下，它能夠儲存更多氣體，有望讓未來儲氫設備變得更加輕便、安全。

甚至，在一些極度缺水的地區，MOFs 還能直接從空氣中“取水”。

空氣中其實一直存在著看不見的水蒸氣，只是濃度很低，難以利用。而一些特殊設計的 MOFs，即使在空氣濕度較低的環境下，也能夠主動捕獲水分子。等太陽升起、溫度升高后，再把這些水分釋放出來，凝結成液態淡水。

對于缺水地區來說，這意味著未來或許不用依賴河流和地下水，僅靠空氣，就有機會獲得穩定的飲用水來源。

集水裝置及運行參數：(A) 太陽能集水實驗裝置實物圖；(B) 裝置細節圖：展示MOF層、冷凝器及透過視窗的熱電偶，標注了MOF層在10:20至13:00期間從約50°C升至66°C的溫度變化[5]。

更重要的是，MOFs 不是一次性耗材。 通過簡單改變化學環境，其配位鍵可以可逆地斷開與重組，實現回收利用。

總結

盡管目前多數的 MOFs 大批量生產成本還偏高，但隨著 2025 年諾貝爾化學獎所帶來的關注及合成工藝的不斷進步，這些能夠筑起納米宮殿的“分子積 木”，正堅定地走出實驗室，邁入我們的日常生活。

從家里的貓砂、貓糧、創可貼、生鮮包裝，到治病緩釋藥物、新能源汽車，再到沙漠取水、工廠減碳，一個由 MOFs 構建的更清潔、更健康、更可持續的世界，正在我們手中一塊塊“搭建”成型。

參考文獻

[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]李雪瑤. 寧城貓砂走向世界[EB/OL]. 內蒙古日報·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]北京科技大學. 一種TiO2@Ag/Ti-MOF功能材料及其制備方法: 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.

來源：科普中國

編輯：張柒柒

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