人物简介
陈邦林，欧洲科学院外籍院士，国际著名多孔材料化学家，长期深耕金属-有机框架（MOF）、氢键有机框架（HOF）等新型多孔材料领域，是该方向国际公认的领军学者之一。
采访实录
问：陈院士，金属–有机框架研究是如何从一个概念萌芽，逐步成长为国际公认的“诺奖级方向”的？
陈邦林院士：金属–有机框架（MOF）研究的发展是个非常有意思的过程。严格来讲，MOF 的发展并不是我们常说的 “从零到一” 的突发突破，而是长期学术积累的结果，也是对该领域众多科学家贡献的集体肯定。三位获奖者是该领域最杰出的科学家代表，也是众望所归。这个在今年诺贝尔化学奖的详细报告中非常清楚地写明了， 我也比较赞同。我认为其历程可清晰地分为五个阶段：
1. 早期的化学积累： Alfred Werner （1913 年诺贝尔化学奖获得者）的配合物 （coordination compound/complex）， 普鲁士蓝和Karl A. Hofmann 包容物 （这两种材料都显示吸附性能），1959 年发表的第一个coordination polymer （配位高分子）的单晶结构从不同方面和角度为建立金属–有机框架提供模糊的影子。我个人认为1969 年报道的一个配合物的吸附性能以及广泛使用的无机分子筛也是非常重要的促进者（为此，早期科学家提出了有机分子筛的概念）。
2. 概念的提出：1989 年 Richard Robson (澳大利亚科学院院士，今年诺贝尔化学奖获得者之一） 在《JACS》发表了一个三维配位高分子的结构，并首次提出该种材料有可能具有像无机分子筛一样的吸附和离子交换的性能。
3. 前期的尝试：Richard Robson在接下来几年相继合成并报道了几个三维配位高分子的结构。他的工作也吸引了世界上一些科学家加入这方面的研究，包括我们国家游效曾院士团队，陈小明院士团队，将要在西湖大学任职的林文斌院士团队以及目前在美国Rutgers University的李静院士团队，并有逐渐多起来的结构报道。期间有报道几个结构可以在有机溶剂交换的条件下保持稳定的晶体结构 （Nature 1995 年由美国科学家 Jeffrey S Moore/Stephen Lee 团队和 Omar M. Yaghi （(美国科学院院士，今年诺贝尔化学奖获得者之一）团队分别报道）。为此，Omar M. Yaghi首次专门提出了Metal-Organic Framework（MOF, 金属–有机框架）的概念，强调组成单元和稳定性（Framework，框架，原本是建筑用词，强调建筑的稳定性。框架一词在无机分子筛中已经很早被采用）。
4. 气体吸附和金属–有机框架概念的建立：1997 年Susumu Kitagawa ((日本科学院院士，今年诺贝尔化学奖获得者之一)团队在高压条件下观察到一个配位高分子的气体吸附性能 （ACIE）。1998年，Omar M. Yaghi发表了在低压条件下的气体吸附性能 （MOF-2，JACS, 1998）。同期还有日本的1-2个团队也报道了1-2个配位高分子的气体吸附性能。1999年香港科学家 Ian D. Williams团队报道了HKUST-1 优异的气体吸附性能(Science)。1999年 Omar M. Yaghi团队报道的世界纪录比表面积的MOF-5 (Nature，第一作者为来自我们国家的李海连博士。他在Omar M. Yaghi来中国南京大学游效曾院士处合作交流的时候与Omar M. Yaghi 认识，后来成为Omar M. Yaghi的访问学者和博士生),标志着金属–有机框架概念的完全建立。
5. 学科体系的成熟和功能化的巨大发展：我1999年8月以博士后身份加入Omar M. Yaghi院士团队的早期代表性工作（Cu2(ATC)·6H2O: Design of Open Metal Sites in Porous Metal−Organic Crystals (ATC: 1,3,5,7-Adamantane Tetracarboxylate)，Journal of the American Chemical Society，2000，122, 11559-11560， MOF-11；Interwoven metal-organic framework on a periodic minimal surface with extra-large pores，Science， 2001，291, 1021-1023， MOF-14）标志着MOF简易溶剂热合成方法的实现和网格化学（Reticular Chemistry）的建立。期间 Susumu Kitagawa院士提出了第二代，第三代等配位高分子的概念，以强调这种新型材料刚性/柔性，多功能化的独特性能。从此，该邻域进入快速发展的阶段，并涌现了一系列在能源，环境，国防和卫生等方面具有独特应用的金属–有机框架材料。
问：MOF的研究为何如此具有科学价值与应用潜力？在化学学科体系中，它解决了哪些基础性问题？
陈邦林院士：正如诺贝尔化学奖的详细报告中借着诺贝尔化学奖获得者Roald Hoffmann 所陈述的:1 ‘But in two or three dimensions, it’s a synthetic wasteland.’ In this case, Hoffmann referred specifically to organic structures, but up to that point inorganic, crystalline structures had also been generally grown using a trial-and-error approach. Not only were the synthetic procedures themselves challenging; so was the prediction of how the structures would look.
1988年, John Maddox 评论到:2 ‘One of the continuing scandals in the physical sciences is that it remains in general impossible to predict the structure of even the simplest crystalline solids from a knowledge of their chemical composition.’ Although the amount of information had grown substantially since crystallography techniques were introduced, it was difficult to actually foresee how specific building blocks would come together to form a periodic solid.
金属–有机框架以及网格化学的建立解决了化学领域两个长期存在的核心难题。一是实现了从“炒菜式”试错到“按需设计”的飞跃，使我们能够像搭积木一样，用明确的建筑单元来设计和合成预设结构的周期性固体，这是合成化学的巨大突破。二是提供了一个“分子级精准调控空间”的理想平台。MOF的孔道大小、形状，以及孔道表面的功能化可按需设计，为研究分子吸附、分离、催化等基础过程提供了前所未有的理想模型。
MOF材料在多个领域有明确广泛的应用前景。能源领域可实现气体（甲烷，氢气和乙炔等）存储，气体（炔烃/烯烃和烯烃/烷烃等）分离，沙漠中水的富集和工业催化等；环境领域能可用于CO2捕获（尤其是低浓度空气中的捕获），有毒气体过滤、电子工业气体纯化。我们团队在这些方面做出了一系列非常重要的贡献。比如，与项生昌、张章静（现福建师范大学教授）共同发表和开发的UTSA-16的文章中我们首次提出了“双重功能化”概念（Microporous metal-organic framework with potential for carbon dioxide capture at ambient conditions，Nature Communications， 2012， 3, 954），大大加快了高吸附量和高选择性兼容的高效MOF气体分离材料的开发。这一材料也被美国多家初创公司用于烟道中CO2捕获的放大试验。与林锐标（现中山大学教授）共同发表和开发的UTSA-280有望应用于乙烯的分离（Molecular sieving of ethylene from ethane using a rigid metal–organic framework, Nature Materials, 2018, 17, 1128-1133）。
2024年7月 武汉大学邓鹤翔等Omar Yaghi 教授的中国学生在武汉组织网格化学研讨会并为Omar Yaghi 教授庆生 （前排左6为Omar Yaghi 教授，左7为陈邦林院士）
问：您曾与今年诺贝尔化学奖得主之一 Omar M. Yaghi 教授有过合作经历。在您看来，他最值得我们学习的科学精神或研究方法是什么？
陈邦林院士：我认为有3点至关重要。
1. 对科学的极致热爱与献身精神：我于1999年8月以博士后身份加入他的团队。他常常和我说“我将一生奉献给科学（dedicate my life to science）”，当时我还不敢相信。后来逐渐认识到他讲的是非常认真的。早期整个学界也不看好MOF研究，认为“配位键撑不起稳定框架”，为此他前几年拿不到研究经费，但他永不放弃，坚信能够成功。这种精神在他建立后来的“共价有机框架（COF）”时更加突出。他说，金刚烷（Diamond,钻石）是单晶，我们没有理由不能合成COF单晶！为此，他领导团队经过10年左右的不懈努力才取得成功（2005 他的团队在Science上首次发表二维COF多晶材料）。
2. 重视 “合成产物” 的长期潜力，不急于求成：他常对学生说 “where is my compound（我的化合物在哪）”，把合成的每个化合物都当 “孩子” 看待，认为 “即使当下没发现性能，未来也可能有独特价值”。就像Goodenough教授 在电池领域的突破，正是基于对 “老材料新性能” 的挖掘，这提醒我们不能只盯着 “能快速发文章的成果”，要尊重科学研究的积累性，并以超越和独特的眼光看待科学和技术的发展。
3. 不甘平庸，聚焦本质创新，不跟风做表面研究：当时很多人研究配位聚合物，只满足于发表结构，Yaghi却不这样——他始终追问“框架的本质价值是什么”，从 MOF-2实现永久气体吸附性能，到MOF-5 世界纪录的吸附性能，再到建立网格化学，每一步都瞄准“解决核心问题”。我申请加入Omar Yaghi 教授做博士后是受到MOF-2 (JACS, 1998) 的启发，我博士论文（2000年1月我获得国立新加坡大学博士学位）中的一个晶体结构是与MOF-2 同构的，但我们没能发现它的独特性能（New Journal of Chemistry, 1999）。期间我申请的另一位博士后导师（美国科学院院士）说他已经不再继续这方面的研究。
问：您与今年诺奖得主之一 Omar Yaghi 教授在早期开展过合作，与他共事期间，哪些经历或讨论对您后来的研究方向产生了关键影响？可以分享一两个让您印象深刻的故事吗？
陈邦林院士：与 Yaghi 教授的合作，直接影响了我后来在 MOF 合成和功能化的研究以及后来在 HOF 领域的开创性工作，有两个经历印象最深：
MOF 合成方法的突破：1999 年我刚到 Yaghi 团队时，MOF-5 合成用 “有机胺扩散法”，周期长达1个月，还容易和其他产物混合，李海连将MOF-5单晶一个个在显微镜下挑出来（MOF-5 单晶是立方块，非常容易识别）。加入Yaghi 团队后不久，MOF-5发表在Nature 上，当时我就感觉到Yaghi教授以后有可能得诺贝尔化学奖。受无机分子筛，HKUST-1以及林文斌团队合成的几个配位高分子合成方法的启发，我觉得溶剂热合成法应该能制备MOF单晶。我在加入团队15天左右用水热法合成了MOF-11， 在3个月左右以 DMF 为溶剂在 65℃合成出了纯净 MOF-14 （当时在显微镜下看到大大空心的立方块单晶非常的激动，感觉可以发表在Science 上。后来果然实现了我的Science 梦想（2001）。
MOF-14的结构图(copyright by Science)
HOF 开创的思维铺垫： 受框架概念的启发，我独立工作一些年后开始有条件做自己想做的事。我早期就关注过通过氢键自组装而成的氢键有机网络结（Hydrogen-Bonded Networks），但这种材料的气体吸附性能一直没有实现（因为氢键比配位键更弱，更不容易形成稳定框架结构）。我想我现在可以有条件试试，就让我的博士后何亚兵（现浙江师范大学教授）重复 1997 年加拿大科学家Wüest的氢键材料（JACS），测试后发现它不但有气体吸附性能，还能很好分离乙炔与乙烯，于是首次提出“氢键有机框架（HOF）”概念，论文发表在《JACS》（命名为 HOF-1）。现在 HOF 正慢慢成为另一个化学和材料前沿研究方向。
问：对于青年科研工作者开展MOF/HOF这类跨学科研究，您有何建议？
陈邦林院士：MOF和HOF涉及化学、材料、医疗、环境等多学科，青年学者需要培养四种核心能力：
1. “不设限” 的思维能力：不能被单一学科的逻辑束缚，比如做MOF气体分离，不能只懂化学合成，还要了解环境工程中“气体纯度需求”；做HOF药物输送，要懂医学里“细胞靶向原理”。我当年开创HOF，就是跳出了“配位键=稳定框架”的化学固有认知，才想到用氢键——思维开放是跨学科的基础。
2. 扬长避短的定位能力：每个人天分不同，不用盲目跟风。比如有人擅长有机合成，就聚焦 MOF/HOF 的配体设计；有人擅长仪器测试，就专注吸附性能、药物释放效率的研究；有人擅长数据分析，就做框架结构与性能的关联建模。我自己有机合成不如别人，就侧重“方法创新（如溶剂热法）”和“概念突破（如 HOF）”，找到自己的优势才能在交叉中立足。
3. 基于兴趣的耐心与坚持能力：跨学科研究周期长，UT Austin 王辉亮教授团队使用我们发展的HOF纳米材料做 HOF 药物输送，从概念到2025 年发表《Nature》工作经过了几年时间（主要完成人王文靓博士将入职北京大学开展独立研究工作）。如果只为拿学位、发文章，很容易半途而废。青年学者要真的喜欢这个领域，才能在遇到合作分歧、实验瓶颈时坚持下去 —— 就像生昌做 UTSA-16，花了两年时间验证 “保留配位水分子” 的作用，才做出气体分离的突破。
4. 高效协作的沟通能力和合作精神：跨学科合作常涉及不同专业术语，要能把自己的研究转化为对方能理解的语言。另外要学习合作共赢的合作精神。
注释：
(1) Hoffmann, R. Sci. Am. 1993, 268, 66–73.
(2) Maddox, J. Nature 1988, 335, 201–201.
