2025諾獎花落MOFs領域，掃描電鏡如何揭開諾獎材料MOFs的微觀奧秘

閱讀：184 發布時間：2026-5-6

近日，2025年諾貝爾化學獎正式揭曉，授予在金屬有機框架領域作出開創性貢獻的三位科學家：日本科學家北川進、澳大利亞科學家理查德?羅布森與美國科學家奧馬爾?亞吉，他們的工作從理論到應用，共同奠定了這一革命性材料領域的基石。

金屬有機框架材料（metal-organic frameworks，MOFs），又名多孔配位聚合物（如圖1）。這一被譽為“分子樂高"的材料體系，以其可精準設計的結構特性展現出無限可能。通過選擇不同的金屬節點與有機配體這一“積木單元"，科學家能夠構建出具有超高比表面積、可調孔道尺寸與特定化學環境的定制化結構。正是這種結構上的精準可調性，催生了MOFs在氣體存儲與分離、仿生催化、藥物靶向遞送、化學傳感及水處理等領域的廣泛應用，為解決全球能源、環境和健康挑戰提供了全新的材料平臺。

圖1 MOF結構示意圖（圖源納微快報）

然而，MOFs的性能表現與其微觀結構特征密切關聯。無論是ZIF系列的高效儲氫能力，還是UiO-66的優秀催化活性，都高度依賴于其晶體尺寸、形貌和元素分布等微觀特征。掃描電子顯微鏡（SEM）憑借其獨特的納米級形貌解析能力，成為MOFs研究必要的工具。當SEM與能量色散X射線光譜（EDS）聯用時，更可構建“形貌-成分"一體化分析體系，為深入理解MOFs的構效關系提供關鍵數據支撐。

SEM如何揭示MOFs的微觀真相？

掃描電子顯微鏡是表征金屬-有機框架晶體尺寸、形貌及元素組成的關鍵技術。由于MOF材料的不穩定性，以常規方式觀察 MOF材料是一個極大的挑戰。大多數MOF材料對電子束輻照極為敏感，在常規成像模式下，MOF材料的結構會被立即破壞變為非晶，從而無法得到其孔道和有機框架的原子排列結構信息。因此，如何在無損傷的條件下以高分辨率和高信噪比在實空間中對作為典型電子束敏感材料之一的 MOF材料的結構直接成像是SEM技術應用的難點之一。多數MOFs為絕緣材質，SEM觀測時易因電荷積累導致圖像失真，通過結合能量色散X射線光譜，可對MOF中金屬元素的分布與摻入進行定性與半定量分析。

ZIF-8的SEM成像與性能解碼

在具體應用層面，MOFs材料展現出優秀的性能潛力，下面以沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）為例進行介紹。這種具有規則菱形十二面體形貌的材料，憑借其可調孔徑、高孔隙率、良好生物相容性及優異穩定性，在吸附分離、氣體存儲、催化轉化和生物醫藥等領域成為研究熱點。

圖2 ZIF-8及其衍生物的合成策略、氣體傳感機理與應用

（圖源北京理工大學機電學院）

通過惠然場發射掃描電鏡的高質量成像，我們可以清晰觀察到ZIF-8晶體呈現高度均一的菱形十二面體形貌（圖3、4）。該SEM圖像清晰地揭示了ZIF-8材料高度規整的納米晶特性。這種均一的菱形十二面體形貌是其實現高效氣體吸附、分子篩分及作為藥物載體等功能的結構基礎。

圖3、4 惠然“風系列"場發射電鏡拍攝ZIF-8沸石咪唑酯骨架SEM圖像（圖3樣品在5.0kv加速電壓下采集，圖4樣本在8.0kv加速電壓下采集）

展望未來，MOFs研究正從精巧的結構設計邁向復雜的功能集成新階段。我們期待見證智能MOFs在精準醫療、高效能源系統及環境修復等領域的突破性應用，并推動其規模化制備技術的成熟。與此同時，惠然科技也將憑借其在材料領域的應用優勢，致力于為科研工作者提供洞察微觀世界的“慧眼"，助力他們在各項研究領域中持續取得突破，共同開創材料科學與人類未來的新篇章。

2025諾獎花落MOFs領域，掃描電鏡如何揭開諾獎材料MOFs的微觀奧秘

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