2025诺奖花落MOFs领域，扫描电镜如何揭开诺奖材料MOFs的微观奥秘

更新时间：2026-05-06

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近日，2025年诺贝尔化学奖正式揭晓，授予在金属有机框架领域作出开创性贡献的三位科学家：日本科学家北川进、澳大利亚科学家理查德・罗布森与美国科学家奥马尔・亚吉，他们的工作从理论到应用，共同奠定了这一革命性材料领域的基石。

金属有机框架材料（metal-organic frameworks，MOFs），又名多孔配位聚合物（如图1）。这一被誉为“分子乐高"的材料体系，以其可精准设计的结构特性展现出无限可能。通过选择不同的金属节点与有机配体这一“积木单元"，科学家能够构建出具有超高比表面积、可调孔道尺寸与特定化学环境的定制化结构。正是这种结构上的精准可调性，催生了MOFs在气体存储与分离、仿生催化、药物靶向递送、化学传感及水处理等领域的广泛应用，为解决全球能源、环境和健康挑战提供了全新的材料平台。

图1 MOF结构示意图（图源纳微快报）

然而，MOFs的性能表现与其微观结构特征密切关联。无论是ZIF系列的高效储氢能力，还是UiO-66的优秀催化活性，都高度依赖于其晶体尺寸、形貌和元素分布等微观特征。扫描电子显微镜（SEM）凭借其独特的纳米级形貌解析能力，成为MOFs研究必要的工具。当SEM与能量色散X射线光谱（EDS）联用时，更可构建“形貌-成分"一体化分析体系，为深入理解MOFs的构效关系提供关键数据支撑。

SEM如何揭示MOFs的微观真相？

扫描电子显微镜是表征金属-有机框架晶体尺寸、形貌及元素组成的关键技术。由于MOF材料的不稳定性，以常规方式观察 MOF材料是一个极大的挑战。大多数MOF材料对电子束辐照极为敏感，在常规成像模式下，MOF材料的结构会被立即破坏变为非晶，从而无法得到其孔道和有机框架的原子排列结构信息。因此，如何在无损伤的条件下以高分辨率和高信噪比在实空间中对作为典型电子束敏感材料之一的 MOF材料的结构直接成像是SEM技术应用的难点之一。多数MOFs为绝缘材质，SEM观测时易因电荷积累导致图像失真，通过结合能量色散X射线光谱，可对MOF中金属元素的分布与掺入进行定性与半定量分析。

ZIF-8的SEM成像与性能解码

在具体应用层面，MOFs材料展现出优秀的性能潜力，下面以沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）为例进行介绍。这种具有规则菱形十二面体形貌的材料，凭借其可调孔径、高孔隙率、良好生物相容性及优异稳定性，在吸附分离、气体存储、催化转化和生物医药等领域成为研究热点。

图2 ZIF-8及其衍生物的合成策略、气体传感机理与应用

（图源北京理工大学机电学院）

通过惠然场发射扫描电镜的高质量成像，我们可以清晰观察到ZIF-8晶体呈现高度均一的菱形十二面体形貌（图3、4）。该SEM图像清晰地揭示了ZIF-8材料高度规整的纳米晶特性。这种均一的菱形十二面体形貌是其实现高效气体吸附、分子筛分及作为药物载体等功能的结构基础。

图3、4 惠然“风系列"场发射电镜拍摄ZIF-8沸石咪唑酯骨架SEM图像（图3样品在5.0kv加速电压下采集，图4样本在8.0kv加速电压下采集）

展望未来，MOFs研究正从精巧的结构设计迈向复杂的功能集成新阶段。我们期待见证智能MOFs在精准医疗、高效能源系统及环境修复等领域的突破性应用，并推动其规模化制备技术的成熟。与此同时，惠然科技也将凭借其在材料领域的应用优势，致力于为科研工作者提供洞察微观世界的“慧眼"，助力他们在各项研究领域中持续取得突破，共同开创材料科学与人类未来的新篇章。