特殊材料助力脱碳、为量子技术辟新路、发现免疫系统“密码”， 诺贝尔自然科学三大奖出炉

【综合环球时报、新京报消息】诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖、化学奖被视为全球自然科学领域影响力最大的科技奖项之一。从10月6日到8日，瑞典方面相继公布了2025年的诺贝尔自然科学三大奖。获奖科学家作出了怎样开创性的贡献，相关成果又将如何影响世界未来的科技发展？

　　化学奖： 特殊材料助力脱碳

　　10月8日，瑞典皇家科学院宣布，将2025年诺贝尔化学奖授予日本京都大学北川进、澳大利亚墨尔本大学理查德·罗布森和美国加州大学伯克利分校奥马尔·亚吉，以表彰他们在“金属有机框架（MOF）”材料方面的开创性工作。

　　诺贝尔奖评审委员会评价称，三名获奖科学家在“金属有机框架”材料方面的研究成果具有开创性，这种多孔材料可将特定物质封装在结构内部，如今已经大量普及，对脱碳、药物研发以及化学等多个产业领域的发展作出了重要贡献。

　　《日本经济新闻》网站8日称，“金属有机框架”能够高效分离、回收和储存气体等物质，目前全球研究进展迅速，产业应用也在扩大。该材料内部布满微孔，每克的表面积堪比一个足球场，可大量吸附特定分子。理查德·罗布森率先提出了这种新型分子结构的概念，并预言它可以用于催化化学反应等用途。1989年北川进在近畿大学任职期间，首次发现可利用含有金属与有机物的“金属配合物”形成蜂巢状规则孔洞的多孔性材料。奥马尔·亚吉则研制出多种具备实用价值的“金属有机框架”材料，例如其中一种材料可以从沙漠空气中捕获水蒸气。

　　科学家们此后发现，“金属有机框架”材料不仅制造简单，还能设计成让目标物质自然进入其微孔中，因此被认为有望以低成本、高效率实现分离与回收。《日本经济新闻》称，如今可以根据需要，设计出不同类型的“金属有机框架”材料，目前已在保持水果新鲜、半导体制造等领域实现实用化，例如可以用来吸附水果释放的乙烯气体，从而延缓其成熟速度；有些能从水中分离全氟和多氟烷基物质（PFAS）；或者用于处理剧毒气体。这种材料今后被寄予厚望的是在脱碳领域的应用。如果能利用它从工厂废气或空气中分离、回收二氧化碳，将大幅减少温室气体排放。

　　物理学奖： 为量子技术开辟新路

　　2025年诺贝尔物理学奖被授予在美国进行科研工作的量子物理学家约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯，以表彰他们“在电路中发现宏观量子隧穿效应与能量量子化现象”。

　　诺贝尔奖评审委员会介绍称，今年恰逢量子力学诞生百年，这3名科学家的核心发现是在宏观量子力学领域，具体来说是在一个“足以握在手中”的电回路中观察到了量子现象。据介绍，量子现象通常是指发生在微观领域的“反直觉”特殊现象：在微观尺度下，粒子不再完全遵循我们熟悉的宏观物理规律。法新社举例称，当普通小球撞击墙壁时，它会被反弹回来；而微观粒子（如电子）却能够穿过看似不可能穿越的能量屏障，这就是所谓的量子隧穿效应。

　　法新社称，物理学中的一个重大问题是：能够展现量子效应的系统最大尺寸是多少？20世纪80年代，此次获奖的3名量子物理学家构建了一个包括两个超导体的电路，并用一层完全不导电的薄材料将这些超导体分开。在这项实验中，他们展示了一种现象：超导体中所有带电粒子都可以表现出“整齐划一”的行为，就好像它们是充满整个电路的单个粒子一样。这个系统起初被“困在”一个没有电压、但有电流在超导体中流动的状态中。在实验中，该系统展现出量子特性，通过隧穿效应成功“逃离”零电压状态，并产生出一个可测量的宏观效应——可观测的电压。这意味着它们实现了宏观量子隧穿。实验还表明，该系统是量子化的，即只能吸收或释放特定能级的能量，与量子力学的预测相符。

　　该实验不但证明了量子世界的奇特特性并非完全局限于不可见的微观层面，而且为利用微观世界的物理现象开展实验开辟了新的可能。诺贝尔物理学奖委员会表示，今年的诺贝尔物理学奖所揭示的成果，将为下一代量子技术的发展开辟道路，包括量子密码学、量子计算机和量子传感器等前沿领域。

　　生理学或医学奖： 发现免疫系统“密码”

　　瑞典卡罗琳医学院10月6日宣布，2025年诺贝尔生理学或医学奖将授予日本大阪大学特任教授坂口志文、美国系统生物学研究所玛丽·E·布伦科、美国索诺玛生物疗法公司弗雷德·拉姆斯德尔，以表彰他们在外周免疫耐受机制方面的研究贡献。

　　《日本经济新闻》网站介绍称，该研究直指免疫机制核心，为自身免疫疾病、过敏及癌症等多种疾病的新疗法开发开辟了道路。人体免疫系统能区分病毒、细菌等外来的“非自身”与组成自己的细胞“自身”。如果无法正确区分非自身与自身，人体免疫系统的无差别攻击可能让人患上自体免疫疾病，例如I型糖尿病以及系统性红斑狼疮等都与自体免疫有关。在这个过程中，坂口志文发现的调节性T细胞可以有效阻止免疫系统攻击人体自身。报道称，坂口志文在京都大学求学期间，读到的一份研究报告显示，切除胸腺的老鼠会出现类似自身免疫疾病的症状，从而产生兴趣并开始研究。他提出假设：T细胞（一种免疫细胞）中存在一种可抑制免疫失控的类型。尽管许多研究者对这种细胞的存在持怀疑态度，坂口志文仍坚持研究，并于1985年证明了调节性T细胞的存在。     

　　1995年坂口志文成功确定了该细胞，成为调节性T细胞的发现者。但初期因缺乏领域主流的支持而一度遭质疑、受冷遇。这种情况一直持续到2001年，美国科学家布伦科和拉姆斯德尔找到了与之相关的基因。此后科学界才普遍接受了调节性T细胞以及外周免疫耐受的概念，加深了对免疫系统如何运作的理解，并由此在预防自身免疫疾病、抑制器官移植排斥反应和癌症治疗方面开展了一系列的新研究。

【新闻链接】诺贝尔化学奖揭晓：金属有机框架有啥用？

　　据央视新闻消息，当地时间10月8日，瑞典皇家科学院决定将2025年诺贝尔化学奖授予北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）以及奥马尔·M·亚吉（Omar M. Yaghi）三位科学家，以表彰其在金属有机框架开发领域的贡献。

　　总体而言，三位获奖者创造了具有大空间的分子结构，气体和其他化学物质可以通过这些空间。这些结构就是金属有机框架（MOFs），可用于从沙漠空气中收集水、捕获二氧化碳、储存有毒气体或催化化学反应。

　　21世纪的决定性材料

　　1989年，理查德·罗布森以一种新的方式创建了一种新的化学基团分子。他将带正电的铜离子与四臂分子结合，形成一个化学基团，这个基团在每只臂膀的末端由铜离子所吸附。当它们结合在一起时，形成一个有序、宽敞的晶体，就像一颗充满无数空间的钻石。这就是金属有机框架。

　　尽管这种分子结构从理论和应用上看有很大的潜在价值，但它不稳定并且很容易崩溃。之后，北川进和亚吉为这种化学基团的稳固和实际应用提供了坚实的基础。1992年至2003年，他们分别取得了一系列突破性的发现。

　　北川进的研究表明，气体可以流入和流出金属有机框架，并预测金属有机框架可以变得更为灵活。亚吉则创建了一种非常稳定的金属有机框架，并证明它可以使用合理的设计进行修改，从而赋予其新的和理想的特性。

　　罗布森创造了金属有机框架，北川井和亚吉分别完善和合理设计了金属有机框架并给出了可能在生产和生活中应用的领域、范围和模式。正如诺贝尔化学委员会主席海纳·林克所说，“金属有机框架具有巨大的潜力，为具有新功能的定制材料带来了前所未有的机会。”

　　经过多年的研发和改进，金属有机框架已经成为一种用途巨大的新型材料，并能产生多种产品。金属有机框架属于一种多孔材料，由金属离子（或簇）和有机配体通过配位键连接而成。这种结构会形成一个高度有序的、三维的晶格网络，其中包含巨大的、可调的孔隙。

　　金属有机框架不仅具有金属的活性，同时也获得了有机配体的柔性、化学官能团的选择性和其他物理化学性能，还有配位形成的特殊空间结构。这几种特别的要素完美结合起来，使得金属有机框架被预测为21世纪的决定性材料。

　　具有广阔的应用前景

　　金属有机框架，作为一种用途极其广泛的超多孔纳米材料，如果将一克金属有机框架的内表面积展开，覆盖的面积比一个足球场还大。现在，化学家已经设计了88000多个不同的金属有机框架。

　　现有研究表明，金属有机框架可用于气体储存与分离，如储存氢气和捕获二氧化碳；可作为多相催化剂，促进化学反应的进行；也可用作传感器，以检测特定气体或化学分子；还可以用于传输药物，将药物封装在金属有机框架的孔隙中进行按需释放。

　　迄今，最能体现金属有机框架应用价值的是药物传递。药物分子常通过氢键、π-π堆积、配位作用、静电作用等吸附于金属有机框架的孔隙或表面，让金属有机框架成为药物的缓控释放递送载体。

　　如低细胞毒性的卟啉金属有机框架PCN-221对甲氨蝶呤（治疗癌症和自身免疫疾病的药物）具有高载药量，甲氨蝶呤通过扩散进入PCN-221的孔隙与通道，通过其与PCN-221的π-π作用及氢键作用，在生理环境下实现缓释，以保持药物有效浓度。

　　此外，特定的金属有机框架还可通过共结晶法运载胰岛素，治疗糖尿病。除了将药物分子加载到金属有机框架孔隙或表面外，还可通过药物分子中可用的配位位点与特定的金属离子结合，使药物直接作为有机配体参与金属有机框架的形成，以输送药物。

　　而在全球气候变化的环境下，金属有机框架对烟道气进行碳捕获，可以有效减少碳排放。

　　2022年，加拿大研究人员研制了一种称为CALF-20的金属有机框架，能对烟道气进行有效碳捕获。在1.2个大气压和室温条件下，CALF-20能吸附自身重量18%左右的CO₂，并且CALF-20在多种混合气体中保持极佳的CO₂选择吸附能力。在40%相对湿度环境中，CALF-20甚至可以压制水蒸气而吸附CO₂。

　　金属有机框架还能通过吸收空气中的水蒸气，然后在温度升高时释放出水，从而实现从沙漠中收集水。这种技术特别适用于全球的沙漠地区，包括非洲的撒哈拉沙漠、亚洲和非洲的阿拉伯沙漠，亚洲的塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠，以及南美洲的巴塔哥尼亚寒漠。

　　现在，该技术已在实验室测试和沙漠环境的实地试验中得到验证。初步结果表明，金属有机框架每千克每天可收集和提供超过一升的水，并且水质非常干净。

　　而且，金属有机框架装置不依赖电力，且可以利用温度变化来收集水，是一种清洁能源驱动的方案。未来，这是解决沙漠和干旱地区生活和生产用水的一种有效方式。

　　今年的诺贝尔化学奖授予金属有机框架的发现和应用表明，这种材料和产品在未来具有广阔的前景，能极大造福于人类社会。