控制空氣中的分子  改變地球的未來

如同用樂高積木般，精確地在原子尺度上組裝出想要的材料，「網格化學」為解決全球氣候與能源問題帶來了革命性的工具 。

撰文/陳其暐

編輯前言：今年的諾貝爾化學獎在10 月8 日揭曉，由日本京都大學的北川進（ Susumu Kitagawa ）、澳洲墨爾本大學的羅布森（ Richard Robson ）與美國加州大學柏克萊分校的亞基（ Omar M. Yaghi ）共享殊榮。早在2024 年，唐獎別具慧眼，把第六屆永續發展獎頒給亞基，肯定他開創的網格化學，並致力把MOF與COF這類材料應用於碳捕集、氫氣與甲烷的儲存以及乾旱地區的集水。《科學人》採訪了中央研究院院士王瑜，她認為亞基獨到之處在於單晶（ single crystal ）的分析與應用。此外，亞基的生平、求學與研究歷程也不同凡響。

      仙人掌、枯瘦的灌木、不斷揚起的沙土，讓遠方的山脈更顯得乾燥與孤寂。這一片荒野在烈日烘烤下，缺少了絕大多數生物賴以為生的資源。這裡是美國亞利桑那沙漠，是美國西南部最大的沙漠地帶。

      然而，有個與沙漠毫不相稱的物體，正在上演難以置信的場景。如魚缸般大的透明盒子中，內部上方鋪著一層厚厚的米色物質，底部則有紅棕色板子。在這塊紅棕色板子上，一顆顆透明液體逐漸凝結而成，那是這片土地最珍貴的資源：水。

      加州大學柏克萊分校教授亞基與實驗室學生仔細觀察這台儀器的運作狀況，思索如何能更有效率地變出更多水，當中的關鍵就在於那一層厚厚的米色物質。這種米色物質有個神秘代號：MOF-841。

      MOF-841 是亞基長年研究的辛苦結晶，卻遠遠還不是終點。亞基不斷改良MOF，MOF-801在僅有10%相對濕度下就能從空氣中獲取水份；而MOF-303，是在加州死亡谷，在這稱為世界上最乾燥的地區中，也能夠從中變出水。

從逆境中誕生的科學信念

      亞基堅信，科學是改變世界最堅實的力量，而這份力量就蘊藏在他所創造的MOF。這個夢想從擘畫到實現，是一趟漫長的旅途。這一切，都從苦難中開始。

      亞基的父母原本居住於巴勒斯坦，然而1948 年以色列與阿拉伯發生戰爭。戰火迫使數十萬巴勒斯坦人離開家鄉，而他的父母也是其中之一，最終流離到約旦安曼，也是亞基的出生之地。

      一家12 口，擠在一間狹小的房子，沒有電，也幾乎沒有水。當時亞基所居住的地區，是典型的沙漠氣候，年降雨量僅略高於100 毫米（ 台灣可達2500 毫米），每兩個星期供應「五至六個小時」的自來水。年紀尚小的他必須在那重要的一天，於日出時起床去挑水，把所有的蓄水容器裝滿，才能順利撐過接下來的兩個星期。

      這些水除了日常起居，還必須給家畜、農作物使用，因此洗澡也成了奢望。從那時開始，他就知道每一滴水有多麼珍貴。

      父親只有小學學歷，母親更不識字，他與科學的相遇，幾乎可說是命運使然。

      那一天，十歲的亞基成功溜進一間原本應該上鎖的圖書館。他隨手從書架上抽了一本書，書頁上繪製著許多複雜卻有獨特魅力的圖樣。一幅幅化學分子，意外地讓亞基著迷地注視許久，即使那時候的他，還未認知到什麼是「化學」。

      在亞基年滿15 歲時，父親幾乎花費家中所有的積蓄，把亞基送到美國求學。亞基身上僅僅帶著一本護照、一只行李箱與一張前往美國紐約的單程機票。

      此時的他，已確定自己要走上研究化學分子的道路。他一邊打工維持開銷，一邊上課，竟然成功以優異成績畢業於紐約州立大學奧巴尼分校化學系，並在1990年於伊利諾大學獲得博士學位。

      此時，來自苦難之地的孩子已脫胎換骨，開始投入一門前所未有的科學領域。

網格化學的誕生

      從博士班時期，亞基就對於「如何精確控制原子與分子來合成出想要的化學物質」，有著強烈的執著。

      在1990 年代之前，科學家雖然能根據需求合成出特定的化學分子，但這僅限於一維（ 線性）結構的化學物質。如果想要合成出二維（ 平面）、三維（ 立體）結構的化學分子，可就不是一件簡單的事。特別是想要精準合成出具有規律的立體化學分子，更是十分困難。

      在1988 年《自然》期刊中，當時的編輯馬杜克斯（ John Maddox ）表示：「物質科學中長期存在的醜聞之一，是即使對化學成份有所了解，仍然難以預測最簡單的結晶固體結構。」

      亞基戲稱，當時科學家製造化學晶體（ 規律有序排列的分子）的方式，是透過「搖一搖、烤一烤」（ shake and bake ），也就是把材料放在坩堝裡加熱到上百度，然後就聽天由命。因為透過這種方式產生的化學物質，通常不容易控制分子結構，更遑論要根據需求來進行修改。這對於追求精準的亞基十分困擾，他也嘗試過在較低溫度下進行分子強鍵結（ 離子鍵、共價鍵），但往往會得到一些預期之外的產物。

      當亞基於1992 年在亞利桑那州立大學任教時，開始思考要如何像建築一般，把不同的分子構件彼此組裝。直到1995 年，他成功把金屬離子與帶電羧酸鹽結合，創造出有序的晶體結構，此即MOF的開端。MOF 全名為金屬有機骨架（ metal organic framework ），亞基用金屬離子做為接合處，並把有機分子宛如鋼筋般連結在這些金屬離子上，以十分有規律有序的方式組裝排列，最終就會形成龐大的分子大廈。而金屬有機骨架最大的特色在於，科學家可以根據需求改變金屬離子或有機分子的組成，藉此改變MOF的特性，以便應用於許多不同的情況。

      1999 年，亞基向全世界發表了MOF-5，他利用鋅、氧、碳等原子為架構，組裝出巨大的分子。這種分子在300℃ 高溫下，依然可以維持穩定，同時具有表面積極大的空腔。僅僅一公克的MOF-5，表面積就能達到一個足球場的大小，並且具有吸附氣體的特性，這種特性就此開啟了MOF的無限可能 - 只要改變金屬離子的種類，或是調整有機分子的組成，就能把MOF用於抓取不同的化學物質。

      2002 年，亞基根據MOF-5的研究成果，讓次級結構單元（ secondary building unit，宛如建造房子的磚塊）保持不變，把連結次級結構單元的骨架置換為其他有機分子，創造出十多種MOF-5的變體。每種變體都擁有不同大小的空腔，展示出MOF已能如樂高般自由組成。

      亞基等人把設計MOF的過程，也就是「把分子積木以強鍵結連接，精確組裝出可預測的有序延伸結構」，稱為網格化學（ reticular chemistry ）。從此刻開始，科學家能在二維、三維上組裝化學分子，開啟前所未有的應用領域。

無限可能：MOF-5 是由鋅（藍色三角形）、氧（紅球）、碳等原子構成金屬節點，黃球代表空腔。

從沒有「水」的地方創造水

      MOF的高表面積、能以原子等級客製化結構、高度有序且眾多的空腔（ 高孔隙度），為資源永續帶來全新的可能，也讓亞基有了契機實現他兒時的渴望 - 捕捉水。2014 年，亞基團隊在研究如何把二氧化碳從水中分離出的方法時，意外發現實驗室所開發的其中一種MOF，具有吸附水分子的特性，而亞基立即認為這種MOF無疑擁有巨大的潛力。

      全世界有約1/3 人口生活在水資源短缺的地區，有160 個國家需要進口水。亞基指出，空氣中無時無刻都有充足的水，問題在於如何從空氣中汲取出來，而亞基實驗室所開發的新型MOF，正是解決這個問題的關鍵。

      中央研究院院士、台灣大學化學系名譽教授及特聘研究講座王瑜形容，這種可捕捉水的MOF可謂是亞基團隊的經典之作，亞基不僅完整發揮MOF的效用，還精準解析出這種MOF的精確架構。

      在MOF之前，其他技術已能從空氣中凝結出水。這些技術最大的限制在於，除了需要相對濕度高於60%的環境，還需要額外能量來使空氣降溫，才能順利運作。一旦在相對濕度極低的地帶，特別是沙漠，這些技術便無用武之地。

      MOF則不受上述條件的限制，不僅能在低於20%的相對濕度下透過氫鍵吸附水，而要取出空腔中的水，只需加熱至45℃。在這樣的情況下，沙漠環境無疑是MOF最佳的應用場域。

      MOF在沙漠夜晚的較低氣溫下，能夠吸附空氣中的水蒸氣，並儲存在空腔中，當白天太陽照射下，MOF 溫度升高，MOF空腔中儲存的水分子就會逐漸釋放出來。

      此外，MOF捕捉水的能力是可循環利用的，也就是說，能夠透過改變溫度來重新吸附與釋放水，即使循環超過數百次，MOF的結構依然穩定。這代表，只要妥善使用MOF，就會有源源不絕的水源可供利用。

      為了證實MOF的實用性，亞基製作了水的收集盒。他把米色的MOF鋪在內盒上方，同時在外盒上開了一道方形窗口，夜晚時把窗口開啟，讓空氣中的水可以進入MOF的孔隙。白天則把窗口關閉，透過陽光加熱，MOF中的水就會以水蒸氣型態散逸，在盒子下方凝結成水。

      在亞利桑那沙漠的環境下，一公斤重的MOF能夠在一天內產出200~300 毫升的水。在產生水的過程中，不需要額外提供能量，僅需太陽就能運作。更令人驚訝的是，水中不含金屬、有機物或任何污染物，水質純淨到可以當場飲用。王瑜解釋，之所以MOF捕捉的水如此純淨，在於MOF分子能夠專一性吸附空氣中的水，不會對其他分子產生反應，因而符合美國食品及藥物管理局（FDA）的飲用水標準。

      為了進一步降低成本，亞基所研發的MOF-303 以便宜好取得的鋁金屬為分子架構，還進一步提高了產水效率，每公斤MOF能產出330 毫升的水。而且在僅有5%相對濕度的環境，成功裝滿了一整個玻璃罐的水。

      這些捕捉水的裝置目前已進入商業化，可依據需求提供給個人，乃至家庭，甚至是整個聚落的人們使用。這讓人們能夠從沒有「水」的地方，創造出水。亞基從家鄉出發，時隔近50年，實現了他夢想中的第一步。

一語道破：王瑜院士精闢解說MOF 結構的巧妙之處。

捕捉二氧化碳，對抗氣候變遷

      接下來的第二步，亞基希望能夠捕捉空氣中的二氧化碳。

      隨著全球暖化程度提高，大氣中的二氧化碳濃度逐漸攀升，眾多科學家都在尋找能夠有效捕捉二氧化碳的技術。而亞基所找到的應對方法，便存在於COF-999 之中。

      基於MOF與網格化學的基礎，亞基在2005年研發出所謂的共價有機骨架（COF），比起MOF，COF不含任何金屬原子，而主要以有機分子來形成立體結構。COF的特性與MOF相似，同樣是高度有序的晶體結構，可高度客製化，以及具有許多孔隙與極高的表面積，非常適合捕捉氣體。MOF雖然在吸附氣體的能力上十分優異，但在高濕度環境下容易受潮，而COF由於骨架主要是由共價鍵連接而成，具有更高的穩定性。

      亞基所研發的COF-999，在孔隙中具有許多胺基，能夠有效與二氧化碳分子結合，僅需200 公克的COF-999 粉末，就能吸收20 公斤的二氧化碳。COF-999 在捕捉二氧化碳之後，可利用加熱來釋放，以便後續封存或用於其他工序。另外，COF-999 在重複使用上百次後，依然維持分子結構穩定。

      亞基為了把COF-999 實際投入對抗工業排放帶來的氣候變遷，同時研發更深入的水捕集技術，在2020 年成立Atoco公司。Atoco 專注於原子級材料工程，有望在數年內進一步把COF-999 商業化。

亞基的永續精神

      亞基的過往經歷，使他深刻體認到，科學家有責任利用自身的能力與知識，解決人類所面臨的諸多難題。他出於對於科學的好奇，建構出網格化學，研發出MOF與COF分子。當他發現這些分子所擁有的潛力後，便立即思考這些技術能夠為那些最需要幫助的人做些什麼？

      在亞基開創網格化學之後，這項化學方法已獲全球科學家廣泛應用，除了用於捕捉水與二氧化碳，還能用於氫氣、甲烷的儲存，為環境永續與能源利用帶來新的解方。MOF與COF的出現，不僅改變我們對資源的看法，並提供人類一種全新可持續發展的途徑。

      在人才永續上，亞基也不遺餘力。他在加州大學柏克萊分校成立全球科學研究所，讓來自沙烏地阿拉伯、約旦、阿根廷等國家的人才，能夠有機會為科學貢獻，實現真正的科學無國界。

      這樣的成果，或許是當初亞基來到美國前未能預見的。亞基說，他在亞利桑那州立大學開啟學術生涯時，期許自己發表一篇能被其他學者引用100 次的論文，如今他的團隊所發表的研究成果，引用次數早已累積超過20 萬次。

      各類獎項肯定也隨之而來， 例如2018 年亞基獲得沃爾夫獎，2024 年由於網格化學與永續發展領域的卓越成就，獲頒唐獎永續發展獎；今年，亞基與北川進及羅布森等三人因為MOF的卓越貢獻，共同獲得諾貝爾化學獎。

      不變的是，亞基依然懷有對化學的熱情。他認為化學的魅力在於，只要能夠在原子與分子層級上控制物質，就能帶來巨大回報。這份對科學的純粹，已為世界帶來前所未有的改變。