面对资源和环境方面的种种问题，我们往往束手无策。许多更加高效清洁的气体燃料苦于缺乏有效储存运输手段，难以大规模推广，而大量污水又得不到有效净化处理。有了金属有机框架和共价有机框架这两类新材料，许多困扰人类发展的问题有望得到更好解决。

    上个世纪90年代，当时先后在美国亚利桑那州立大学和密歇根大学任教的奥马尔·亚基教授和合作者发现，如果选择合适的条件，就能够让金属和有机配体形成的三维网络内部的孔洞稳定存在。这样的材料被命名为金属有机框架。

    他们合成出的代号为MOF-5的金属有机框架，具有立方结构。每个立方体的顶点是由一个氧原子和四个锌原子组成的原子簇，对苯二甲酸根离子则构成立方体的边，通过配位键将这些原子簇连接起来。实验表明，这种材料的内部至少60%的空间都是孔洞。从此，来自世界各地的研究者如法炮制出更多的金属有机框架。它们的化学组成和结构虽然各异，但都具有内部多孔的特点。

    那么，为什么需要这种内部多孔的材料呢？因为它可以帮助我们更好地驾驭难以驯服的物质——气体。

    作为物质四种基本形态之一，气体与我们的生活密切相关。我们每一分钟都离不开氧气，天然气、煤气、石油气等气体为我们提供了宝贵的能源，氨气、氯气、二氧化硫、光气等气体是重要的化工原料。所有这些，都要求我们必须拥有行之有效的手段来操纵和使用气体。

    然而，气体的特点又决定了很多时候这一目标难以实现。和液体一样，气体可以自由流动，不能保持固定的形状，但常温常压下气体的密度却比液体低了好几个数量级。因此，为了更好地储存和运输气体，我们通常需要对气体加压。

    气体钢瓶使用时的诸多不便，导致气体的应用大受限制。与汽油相比，氢气和甲烷这两种气体被认为是更加高效清洁的汽车燃料，然而让每一辆汽车都背上一个气体钢瓶显然是不大现实的。因此，科学家们将目光投向另一种储存气体的方式——吸附。当气体经过固体表面时，总会有一部分气体分子由于物理或者化学的作用停留下来，这种现象就是吸附。通过吸附，我们不但无需太高的压力即可实现气体的储存和运输，还能通过不同气体在固体表面吸附能力的差别来实现气体的纯化。

    因此，内部疏松多孔的固体对气体的吸附能力要远胜于内部致密的固体，而孔洞的直径越小，就越有可能提供更多的表面积。一个直径为1毫米的孔洞和1000个直径为0.1毫米的孔洞，虽然总的体积相同，但后者的表面积是前者10倍，谁能够吸附更多的气体一目了然。我们在生活中都不陌生的活性炭，之所以能够强烈吸附气体，用于防毒面具等需要净化空气的场合，正是因为木材、竹子在高温制备过程中部分有机物降解气化，使得原本致密的固体充满了微小的孔洞。

    虽说活性炭对气体的吸附能力很强，金属有机框架的表现却能更胜一筹。因为对后者来说，孔洞本来就是其结构的一部分，而且其直径只有几个纳米，这自然有助于提高单位质量的表面积，从而提供更强的吸附能力。比如说，1克活性炭可以提供大约1000平方米的表面供吸附气体，而MOF-5的表面积则为每克3000平方米，一些新的金属有机框架的表面积更是高达每克7000平方米。因此，金属有机框架自问世以来便多次刷新气体吸附和存储的纪录。

    2018年，来自英国的研究人员利用一种名为HKUST-1的金属有机框架，成功实现每立方厘米固体吸附259立方厘米甲烷的目标。（上）