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2025 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)公布，授予北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）和奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi），以表彰他們開(kāi)發(fā)金屬-有機(jī)框架（MOF）材料的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。MOF獲諾獎(jiǎng)可以說(shuō)是眾望所歸，也讓小豐想到了那些曾經(jīng)得過(guò)諾獎(jiǎng)的納米材料如今的發(fā)展現(xiàn)狀。

本期小豐將盤(pán)點(diǎn)近年來(lái)獲得過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)的納米材料以及它們的發(fā)展現(xiàn)狀，一起看下吧~

一、2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：石墨烯

得主：安德烈?海姆（Andre Geim）與康斯坦丁?諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）

核心貢獻(xiàn)：通過(guò)膠帶剝離法首次實(shí)現(xiàn)石墨烯的可控制備，開(kāi)啟了二維材料研究新紀(jì)元。

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等特性，這些優(yōu)異的物理性質(zhì)使石墨烯在射頻晶體管、超靈敏傳感器、柔性透明導(dǎo)電薄膜、超強(qiáng)和高導(dǎo)復(fù)合材料、高性能鋰離子電池和超級(jí)電容器等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

在石墨烯被發(fā)現(xiàn)二十年后，關(guān)于這一非凡材料的研究已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展到了大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用。石墨烯及其衍生物成為多種應(yīng)用的理想材料，包括電子、結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，石墨烯在更廣泛的工業(yè)應(yīng)用方面仍有待實(shí)現(xiàn)。

石墨烯按外在形態(tài)可以分為石墨烯粉體、石墨烯薄膜等。 石墨烯研究和商業(yè)化的初期主要集中在其衍生物上，如石墨烯納米片（由堆疊的二維片組成的顆粒）、具有官能氧基團(tuán)的氧化石墨烯，以及去除氧基團(tuán)的還原氧化石墨烯。與主要通過(guò)粘合膠帶機(jī)械剝離石墨生產(chǎn)的無(wú)缺陷石墨烯相比，這些衍生物更易于大規(guī)模生產(chǎn)，但產(chǎn)品中往往會(huì)產(chǎn)生大量缺陷。

因此，石墨烯的潛在應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向那些可以容忍結(jié)構(gòu)缺陷、但仍然能從石墨烯衍生物的強(qiáng)度和輕量特性中受益的領(lǐng)域，如復(fù)合材料、涂層和增強(qiáng)材料。例如，石墨烯納米片已被用于防腐涂層、阻燃劑和電磁屏蔽材料，這些應(yīng)用都接近商業(yè)化階段。

此外，石墨烯衍生物的導(dǎo)電性足夠高、電化學(xué)穩(wěn)定性好、孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)良，這使其在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)備中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。 從市場(chǎng)占比來(lái)看，目前中國(guó)石墨烯材料市場(chǎng)主要以石墨烯粉體為主，石墨烯粉體占整體市場(chǎng)的90.7%，石墨烯薄膜占比9.3%。 

石墨烯獲得諾獎(jiǎng)以后，有關(guān)石墨烯及其相關(guān)材料的學(xué)術(shù)論文已發(fā)表了數(shù)十萬(wàn)篇。近年來(lái)，石墨烯的論文數(shù)量有所下降，但相比其他二維材料來(lái)說(shuō)，仍然是學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)，2025年石墨烯領(lǐng)域在《自然》《科學(xué)》等頂刊上發(fā)表的論文數(shù)量顯著增加，全年累計(jì)達(dá)6篇，研究熱度可見(jiàn)一斑。

隨著石墨烯制備技術(shù)的不斷成熟和規(guī)模化生產(chǎn)難題的逐步解決，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在加速推進(jìn)。未來(lái)，隨著石墨烯制備成本的進(jìn)一步降低和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，石墨烯產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展空間，成為推動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要力量。

二、2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：膠體量子點(diǎn)

得主：阿列克謝?葉基莫夫（Alexei Ekimov）、路易斯?布魯斯（Louis Brus）、蒙吉?鮑文迪（Moungi Bawendi）

核心貢獻(xiàn)：發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體量子點(diǎn)的尺寸依賴(lài)發(fā)光特性，奠定其在顯示和傳感領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

膠體量子點(diǎn)是一類(lèi)重要的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，通常分散在溶液中，具有優(yōu)良的光學(xué)特性，如高色純度、接近統(tǒng)一的光致發(fā)光量子產(chǎn)率和尺寸可調(diào)的發(fā)射色。由于膠體量子點(diǎn)具有溶液化加工合成的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)與高分子聚合物或彈性體結(jié)合時(shí)，即可制作出含有膠體量子點(diǎn)的功能材料，因此具有很高的靈活性、生物相容性和便攜性。

膠體量子點(diǎn)根據(jù)組成可以將分為核型量子點(diǎn)（Core-type QDs）、核殼量子點(diǎn)（Core–Shell QDs）以及合金量子點(diǎn)（Alloyed QDs）。

常見(jiàn)的核型量子點(diǎn)包括CdSe、CdS、ZnS等，通過(guò)膠體合成等技術(shù)，可以精確控制其尺寸和形狀，使其在光電子、生物成像和傳感技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用。典型的核殼量子點(diǎn)如CdSe/ZnS，因其高量子產(chǎn)率和穩(wěn)定性而被廣泛研究。殼層材料通常具有較大的帶隙，可以保護(hù)核心材料，提高量子點(diǎn)的光學(xué)性能。合金量子點(diǎn)通過(guò)整合兩種或多種不同的半導(dǎo)體材料制備而成。這些量子點(diǎn)結(jié)合了各組分材料的電子和光學(xué)特性，展現(xiàn)出更廣泛的可調(diào)諧特性。

經(jīng)過(guò)20余年的研究，膠體量子點(diǎn)取得了令人矚目的進(jìn)展，在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括顯示技術(shù)、太陽(yáng)能電池、生物成像、傳感器、光電器件等。在顯示技術(shù)中，量子點(diǎn)可以用于量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED），提供更廣的色域和更高的亮度。在太陽(yáng)能電池中，量子點(diǎn)可以提高光子到電子的轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)換效率。在生物成像中，量子點(diǎn)作為熒光標(biāo)記物，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率和長(zhǎng)時(shí)間的生物成像。

盡管膠體量子點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)出色，如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)并將其集成到實(shí)際設(shè)備中，仍然是科學(xué)家們需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。膠體量子點(diǎn)在柔性器件中的應(yīng)用還面臨穩(wěn)定性和成本效率等挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題也亟待進(jìn)一步研究。量子點(diǎn)的商業(yè)化應(yīng)用仍面臨毒性、穩(wěn)定性、合成成本等挑戰(zhàn)。

未來(lái)的研究需要進(jìn)一步提高量子點(diǎn)的性能，降低成本，并開(kāi)發(fā)更環(huán)保的合成方法。同時(shí)，量子點(diǎn)在量子計(jì)算、光子學(xué)等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用也值得期待。通過(guò)解決當(dāng)前的挑戰(zhàn)，量子點(diǎn)有望成為本世紀(jì)基礎(chǔ)技術(shù)之一，推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

三、2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：金屬有機(jī)框架（MOF）

得主：北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）、理查德?羅伯森（Richard Robson）、奧馬爾?亞吉（Omar M. Yaghi）核心貢獻(xiàn)：開(kāi)創(chuàng)金屬有機(jī)框架材料，實(shí)現(xiàn)分子級(jí)精準(zhǔn)調(diào)控的多孔結(jié)構(gòu)。

MOF是Metal Organic Framework的縮寫(xiě)，是由有機(jī)配體和無(wú)機(jī)金屬離子或者團(tuán)簇通過(guò)配位鍵自組裝形成的具有分子內(nèi)孔隙的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料。

MOF材料又被稱(chēng)為頂刊寵兒，近年來(lái)頻繁出現(xiàn)在Nature、Science等頂刊。據(jù)報(bào)道，目前實(shí)驗(yàn)室合成的MOF已經(jīng)有10萬(wàn)多種，按類(lèi)型可以分為網(wǎng)狀金屬有機(jī)框架材料IRMOF、沸石-咪唑框架材料ZIF、萊瓦希爾有機(jī)框架材料MIL和通道式框架材料PCN ，各自的代表材料有MOF-5、ZIF-8、MIL-101和HKUST-1。

由于 MOF材料本身?yè)碛谐蟮谋缺砻娣e和超高的孔隙率，且其孔道結(jié)構(gòu)規(guī)則可調(diào)，為吸附氣體提供了可能性，長(zhǎng)期以來(lái)業(yè)界希望將其用于“吸附和分離”的應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)前MOF材料已實(shí)驗(yàn)對(duì)常見(jiàn)氣體小分子(CO2、CH4、N2、H2等)、C1~C3低碳烴、C4~C6中鏈烷烴、多種醇類(lèi)的靶向吸附，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)CO2/CH4N2、C1~C3低碳烴混合物、C4~C6烷烴異構(gòu)體的高效分離以及對(duì)NOx、SOx、H2S、NH3及VOCs等有毒氣體的高效分離與凈化。

此外，近年來(lái)MOF在工業(yè)催化、能源存儲(chǔ)、生物醫(yī)藥等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛研究。MOFs本身可以作為催化劑，其金屬節(jié)點(diǎn)或有機(jī)配體可作為催化活性中心。它們也可以被用作催化劑的載體，其規(guī)整的孔道可以作為“納米反應(yīng)器”，限制反應(yīng)物和產(chǎn)物的尺寸，從而提高催化反應(yīng)的選擇性。除此之外，MOF還可以用作電極材料，其高比表面積有利于電解質(zhì)離子的快速遷移和儲(chǔ)存；也可以用作隔膜或固態(tài)電解質(zhì)，以提升電池的性能和安全性。

相關(guān)研究已覆蓋鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池和鋅空氣電池等多個(gè)體系。值得注意的是，MOF的生物相容性、高載藥量和可控釋放等特點(diǎn)，使其成為極具前景的藥物遞送載體。藥物分子可以被封裝在MOFs的孔道內(nèi)，通過(guò)特定刺激（如pH值變化）在病灶部位（如腫瘤組織）精準(zhǔn)釋放，從而提高療效并降低副作用。

歷經(jīng)三十余年發(fā)展 ，MOF行業(yè)已從學(xué)術(shù)研究邁入商業(yè)化初期階段。然而盡管MOs在學(xué)術(shù)研究上取得了輝煌的成就，但其大規(guī)模商業(yè)化之路仍面臨若干挑戰(zhàn)，如MOF材料穩(wěn)定性欠佳，導(dǎo)致其使用壽命較短；制備過(guò)程復(fù)雜、配體成本高。

值得注意的是，目前已經(jīng)有部分MOF材料實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)并投入使用，如巴斯夫擁有CALF-20的噸級(jí)量產(chǎn)能力 ，供應(yīng)Svante碳捕集項(xiàng)目，中國(guó)也有企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行相關(guān)布局，展望未來(lái)，隨著成本的持續(xù)下降和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓寬，中國(guó)MOF產(chǎn)業(yè)將很快迎來(lái)第一個(gè)爆發(fā)期，讓我們拭目以待！

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