一部部科學(xué)經(jīng)典著作，猶如人類文明史上璀璨的里程碑，奠定了現(xiàn)代科學(xué)基石，鋪就了人類進(jìn)步的階梯。今天，讓我們一起走近《網(wǎng)格化學(xué)導(dǎo)論：金屬有機(jī)框架和共價有機(jī)框架》，了解網(wǎng)格化學(xué)這一廣闊領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和前景。

2018年，加州大學(xué)伯克利分校教授奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）與兩名化學(xué)家共同撰寫了一部教材《網(wǎng)格化學(xué)導(dǎo)論：金屬有機(jī)框架和共價有機(jī)框架》，介紹了金屬有機(jī)框架（MOF）與共價有機(jī)框架（COF）等重要的全新化學(xué)材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用，以介紹材料領(lǐng)域的新革命。2025年10月8日，奧馬爾·亞吉與日本化學(xué)家北川進(jìn)、澳大利亞化學(xué)家查德·羅布森（Richard Robson）因MOF的工作，獲得2025年諾貝爾化學(xué)獎。

01

英文版前言

原子在空間如何互相連接生成分子？這些分子怎樣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)？人類對這些問題的回答已經(jīng)達(dá)到了一個非常高的知識層次。這些化學(xué)知識引導(dǎo)著我們發(fā)現(xiàn)許多有價值的材料。同時，作為人們認(rèn)識和研究物質(zhì)的中心學(xué)科，化學(xué)也破解了其他重要學(xué)科（如化學(xué)生物學(xué)和材料化學(xué)）中的一些基本問題。

然而，相對于在分子化學(xué)領(lǐng)域取得的顯著進(jìn)展，研究拓展型化學(xué)結(jié)構(gòu)的合成和性質(zhì)的科學(xué)則較少被關(guān)注。這是因?yàn)楣滔嗷衔锿ǔＰ枰诟邷貤l件下制備，而有機(jī)化合物和金屬配位化合物在這樣的條件下結(jié)構(gòu)無法穩(wěn)定，使得這些分子固有的反應(yīng)活性無法在固相材料中保留。雖然已有大量無機(jī)固相材料被成功合成且被深入研究，但是如何把有機(jī)化學(xué)和無機(jī)配位化學(xué)的細(xì)致精妙和錯綜復(fù)雜帶入固相材料領(lǐng)域始終是待解決的科學(xué)問題。

直到20世紀(jì)末，科學(xué)家們成功制備與結(jié)晶了MOF以及后來的COF。這一進(jìn)展是把基于強(qiáng)共價鍵和金屬-配體配位鍵的化學(xué)，發(fā)展至傳統(tǒng)分子化學(xué)未涉及領(lǐng)域的關(guān)鍵一步。通過羧酸根與多核金屬簇相連得到的MOF具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且具有永久多孔性。這兩種特性使得我們可以在MOF固態(tài)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行精準(zhǔn)的有機(jī)反應(yīng)和金屬配位過程。

COF的成功合成和結(jié)晶把有機(jī)化學(xué)帶到一個全新時期，研究從零維小分子和一維高分子拓展至二維層狀結(jié)構(gòu)和三維框架結(jié)構(gòu)。MOF和COF均在溫和條件下制備，因此構(gòu)造單元的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性在對應(yīng)框架中得到保留。這些構(gòu)造單元內(nèi)部成鍵均為強(qiáng)化學(xué)鍵，它們又彼此通過強(qiáng)化學(xué)鍵連接得到多孔框架晶體。

這些事實(shí)引發(fā)了我們對化學(xué)的新思考。如果我們了解這些構(gòu)造單元的幾何構(gòu)型，就有可能實(shí)現(xiàn)MOF和COF結(jié)構(gòu)的定向設(shè)計。如果我們熟知這類框架的合成條件，就有可能在不影響結(jié)構(gòu)結(jié)晶性和底層拓?fù)涞那疤嵯拢M(jìn)一步對框架尺寸進(jìn)行調(diào)控，或?qū)椎肋M(jìn)行功能化。這在傳統(tǒng)固體化學(xué)中是前所未見的。

在基礎(chǔ)層面上，MOF和COF代表著一類全新的材料，這些結(jié)構(gòu)的化學(xué)新知識已經(jīng)給研究它們的科學(xué)家?guī)砹巳碌乃悸贰Ｈ藗兩踔量梢哉f這一被稱為網(wǎng)格化學(xué)的全新化學(xué)落實(shí)了隨需材料（即特定功能的材料可以根據(jù)需求隨時定制提供）這一概念。

目前，全球不同學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、企業(yè)和政府部門約有1000余家實(shí)驗(yàn)室正在開展網(wǎng)格化學(xué)研究。網(wǎng)格材料已在氣體吸附、水捕集、能源存儲等許多領(lǐng)域體現(xiàn)了其價值，使得這一全新領(lǐng)域涵蓋了從基礎(chǔ)科學(xué)到實(shí)際應(yīng)用的方方面面。無論是從研究探索角度還是從教育角度，網(wǎng)格化學(xué)領(lǐng)域正變得更有意義！因此，我們努力通過本書向讀者提供關(guān)于這一廣闊領(lǐng)域的入門導(dǎo)論。

本書的編寫方式允許授課教師將各篇內(nèi)容獨(dú)立使用。對于同一篇下的章節(jié)，授課教師 可按編排順序依次講授，也可選擇部分章節(jié)單獨(dú)講授。我們希望老師和同學(xué)們通過本書認(rèn)識到網(wǎng)格化學(xué)是一個根植于有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)以及物理化學(xué)的學(xué)科領(lǐng)域，同時，網(wǎng)格化學(xué)把這些傳統(tǒng)學(xué)科內(nèi)容融合成一門全新學(xué)科，發(fā)展了精準(zhǔn)性不輸于分子化學(xué)的晶態(tài)材料化學(xué)。

本書的獨(dú)特性在于它從基礎(chǔ)科學(xué)理論出發(fā)，引申到材料的合成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，并擴(kuò)展到這些材料在應(yīng)對不同社會挑戰(zhàn)方面的應(yīng)用。網(wǎng)格化學(xué)是對分子化學(xué)的延伸，把分子化學(xué)在成鍵、斷鍵方面的精準(zhǔn)性帶到了基于強(qiáng)鍵結(jié)合的固態(tài)框架結(jié)構(gòu)中。

至此，我們可以切實(shí)地凝練出以下觀點(diǎn)：原子與分子的關(guān)系，就像分子與框架的關(guān)系。原子以特定的朝向和空間排布被固定于分子中；同理，分子以特定的朝向和空間排布被固定于框架中。唯一區(qū)別在于框架中除了被固定的分子外，還擁有自由空間。在這些空間內(nèi)，物質(zhì)可以進(jìn)一步被操控。這一全新領(lǐng)域結(jié)合了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的美麗、構(gòu)造單元和對應(yīng)框架化學(xué)的豐富。在本書中，我們希望能盡力把這些思想傳達(dá)給讀者，從而創(chuàng)造一個迸發(fā)知識、激發(fā)創(chuàng)想的學(xué)習(xí)空間。

馬庫斯·卡爾穆茨基

克里斯蒂安·迪克斯

奧馬爾·亞吉

2018年3月于伯克利

02

中文版序言

新材料在世界文明歷程中扮演著重要角色，以至于人們通常用所發(fā)展的材料來指代不同的技術(shù)發(fā)展階段：石器時代、青銅時代、鐵器時代，甚至是玻璃時代、鋼鐵時代、聚合物時代、分子時代，等等。下一個時代會是什么？

不斷創(chuàng)新發(fā)展的網(wǎng)格化學(xué)很可能是一個候選項(xiàng)。網(wǎng)格化學(xué)研究通過強(qiáng)化學(xué)鍵將小分子連接得到晶態(tài)拓展型結(jié)構(gòu)（即材料），其產(chǎn)物包括金屬有機(jī)框架和共價有機(jī)框架。所得的框架具有超高的多孔性，并且可以針對不同應(yīng)用而被合成和被功能化，這些應(yīng)用包括但不限于清潔能源、清潔空氣以及清潔水。框架內(nèi)的組分可選，可被精準(zhǔn)設(shè)計，亦可被明確表征，這些特性已經(jīng)觸發(fā)了材料領(lǐng)域的一場革命。

目前，全球已有100余個國家開展了網(wǎng)格化學(xué)研究。中國學(xué)者為本領(lǐng)域的發(fā)展作出了巨大的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。我倍感榮幸擁有多名中國學(xué)生和學(xué)者在我的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，包括目前在復(fù)旦大學(xué)任職的李巧偉。

受人們尤其是年輕學(xué)者對該領(lǐng)域的極大關(guān)注所鼓舞，我們撰寫了以網(wǎng)格化學(xué)為主題的圖書。我們希望本書成為激發(fā)學(xué)生興趣，并將他們引領(lǐng)到網(wǎng)格化學(xué)天地的導(dǎo)論讀物。

奧馬爾·亞吉

現(xiàn)在，我們有了本書的中文版。本書的深度定位在廣大高年級本科生和低年級研究生可以理解的水平。我們盡量從大量的網(wǎng)格化學(xué)文獻(xiàn)和合成的框架中選取典型的例子來撰寫本書，全書涵蓋了從合成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)到應(yīng)用的不同專題。

在對這些專題進(jìn)行介紹時，我們聚焦于對底層基本原理的討論，以及這些例子背后的研究思維。我們特意強(qiáng)調(diào)了可信的數(shù)據(jù)測量和分析過程的重要性，并細(xì)致討論了表征和分析的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范。

網(wǎng)格化學(xué)的魅力在于它結(jié)合了許多不同的領(lǐng)域：有機(jī)化學(xué)和無機(jī)化學(xué)、固態(tài)化學(xué)和溶液化學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)以及化學(xué)工程。雖然本書的討論并未涉及人工智能工具、高通量方法、計算化學(xué)以及器件工程等，但它們同樣是網(wǎng)格化學(xué)的其他重要發(fā)展方向。本書可以作為我們后續(xù)探索這些新興方向的出發(fā)點(diǎn)。最后，我特別感謝李巧偉承擔(dān)了本書的翻譯工作，精心并嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赝瓿闪诉@一中文版的出版。

奧馬爾·亞吉

2022年1月15日于伯克利

科學(xué)經(jīng)典推薦

《網(wǎng)格化學(xué)導(dǎo)論：金屬有機(jī)框架和共價有機(jī)框架》

【美】奧馬爾·亞吉

【德】馬庫斯·卡爾穆茨基

【德】克里斯蒂安·迪克斯著

李巧偉譯

本書從基礎(chǔ)科學(xué)理論出發(fā)，引申到材料的合成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，并擴(kuò)展到這些材料在應(yīng)對不同社會挑戰(zhàn)方面的應(yīng)用。網(wǎng)格化學(xué)這一全新領(lǐng)域結(jié)合了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的美麗、構(gòu)造單元和對應(yīng)框架化學(xué)的豐富。該書盡力把這些思想傳達(dá)給讀者，從而創(chuàng)造一個迸發(fā)知識、激發(fā)創(chuàng)想的學(xué)習(xí)空間。

來源：“墨子沙龍”公眾號

作者：奧馬爾·亞吉