更新时间：作者：小小条
一部部科学经典著作，犹如人类文明史上璀璨的里程碑，奠定了现代科学基石，铺就了人类进步的阶梯。今天，让我们一起走近《网格化学导论：金属有机框架和共价有机框架》，了解网格化学这一广阔领域的挑战和前景。
2018年，加州大学伯克利分校教授奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi）与两名化学家共同撰写了一部教材《网格化学导论：金属有机框架和共价有机框架》，介绍了金属有机框架（MOF）与共价有机框架（COF）等重要的全新化学材料结构的基础理论和应用，以介绍材料领域的新革命。2025年10月8日，奥马尔·亚吉与日本化学家北川进、澳大利亚化学家查德·罗布森（Richard Robson）因MOF的工作，获得2025年诺贝尔化学奖。
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英文版前言
原子在空间如何互相连接生成分子？这些分子怎样进行化学反应？人类对这些问题的回答已经达到了一个非常高的知识层次。这些化学知识引导着我们发现许多有价值的材料。同时，作为人们认识和研究物质的中心学科，化学也破解了其他重要学科（如化学生物学和材料化学）中的一些基本问题。
然而，相对于在分子化学领域取得的显著进展，研究拓展型化学结构的合成和性质的科学则较少被关注。这是因为固相化合物通常需要在高温条件下制备，而有机化合物和金属配位化合物在这样的条件下结构无法稳定，使得这些分子固有的反应活性无法在固相材料中保留。虽然已有大量无机固相材料被成功合成且被深入研究，但是如何把有机化学和无机配位化学的细致精妙和错综复杂带入固相材料领域始终是待解决的科学问题。
直到20世纪末，科学家们成功制备与结晶了MOF以及后来的COF。这一进展是把基于强共价键和金属-配体配位键的化学，发展至传统分子化学未涉及领域的关键一步。通过羧酸根与多核金属簇相连得到的MOF具有很高的结构稳定性，且具有永久多孔性。这两种特性使得我们可以在MOF固态结构内部进行精准的有机反应和金属配位过程。
COF的成功合成和结晶把有机化学带到一个全新时期，研究从零维小分子和一维高分子拓展至二维层状结构和三维框架结构。MOF和COF均在温和条件下制备，因此构造单元的结构和反应活性在对应框架中得到保留。这些构造单元内部成键均为强化学键，它们又彼此通过强化学键连接得到多孔框架晶体。
这些事实引发了我们对化学的新思考。如果我们了解这些构造单元的几何构型，就有可能实现MOF和COF结构的定向设计。如果我们熟知这类框架的合成条件，就有可能在不影响结构结晶性和底层拓扑的前提下，进一步对框架尺寸进行调控，或对孔道进行功能化。这在传统固体化学中是前所未见的。
在基础层面上，MOF和COF代表着一类全新的材料，这些结构的化学新知识已经给研究它们的科学家带来了全新的思路。人们甚至可以说这一被称为网格化学的全新化学落实了随需材料（即特定功能的材料可以根据需求随时定制提供）这一概念。
目前，全球不同学术机构、企业和政府部门约有1000余家实验室正在开展网格化学研究。网格材料已在气体吸附、水捕集、能源存储等许多领域体现了其价值，使得这一全新领域涵盖了从基础科学到实际应用的方方面面。无论是从研究探索角度还是从教育角度，网格化学领域正变得更有意义！因此，我们努力通过本书向读者提供关于这一广阔领域的入门导论。
本书的编写方式允许授课教师将各篇内容独立使用。对于同一篇下的章节，授课教师 可按编排顺序依次讲授，也可选择部分章节单独讲授。我们希望老师和同学们通过本书认识到网格化学是一个根植于有机化学、无机化学以及物理化学的学科领域，同时，网格化学把这些传统学科内容融合成一门全新学科，发展了精准性不输于分子化学的晶态材料化学。
本书的独特性在于它从基础科学理论出发，引申到材料的合成、结构与性质，并扩展到这些材料在应对不同社会挑战方面的应用。网格化学是对分子化学的延伸，把分子化学在成键、断键方面的精准性带到了基于强键结合的固态框架结构中。
至此，我们可以切实地凝练出以下观点：原子与分子的关系，就像分子与框架的关系。原子以特定的朝向和空间排布被固定于分子中；同理，分子以特定的朝向和空间排布被固定于框架中。唯一区别在于框架中除了被固定的分子外，还拥有自由空间。在这些空间内，物质可以进一步被操控。这一全新领域结合了物质结构的美丽、构造单元和对应框架化学的丰富。在本书中，我们希望能尽力把这些思想传达给读者，从而创造一个迸发知识、激发创想的学*空间。
马库斯·卡尔穆茨基
克里斯蒂安·迪克斯
奥马尔·亚吉
2018年3月于伯克利
02
中文版序言
新材料在世界文明历程中扮演着重要角色，以至于人们通常用所发展的材料来指代不同的技术发展阶段：石器时代、青铜时代、铁器时代，甚至是玻璃时代、钢铁时代、聚合物时代、分子时代，等等。下一个时代会是什么？
不断创新发展的网格化学很可能是一个候选项。网格化学研究通过强化学键将小分子连接得到晶态拓展型结构（即材料），其产物包括金属有机框架和共价有机框架。所得的框架具有超高的多孔性，并且可以针对不同应用而被合成和被功能化，这些应用包括但不限于清洁能源、清洁空气以及清洁水。框架内的组分可选，可被精准设计，亦可被明确表征，这些特性已经触发了材料领域的一场革命。
目前，全球已有100余个国家开展了网格化学研究。中国学者为本领域的发展作出了巨大的学术贡献。我倍感荣幸拥有多名中国学生和学者在我的实验室学*，包括目前在复旦大学任职的李巧伟。
受人们尤其是年轻学者对该领域的极大关注所鼓舞，我们撰写了以网格化学为主题的图书。我们希望本书成为激发学生兴趣，并将他们引领到网格化学天地的导论读物。
奥马尔·亚吉
现在，我们有了本书的中文版。本书的深度定位在广大高年级本科生和低年级研究生可以理解的水平。我们尽量从大量的网格化学文献和合成的框架中选取典型的例子来撰写本书，全书涵盖了从合成、结构、性质到应用的不同专题。
在对这些专题进行介绍时，我们聚焦于对底层基本原理的讨论，以及这些例子背后的研究思维。我们特意强调了可信的数据测量和分析过程的重要性，并细致讨论了表征和分析的标准操作规范。
网格化学的魅力在于它结合了许多不同的领域：有机化学和无机化学、固态化学和溶液化学、拓扑学、物理化学、材料科学以及化学工程。虽然本书的讨论并未涉及人工智能工具、高通量方法、计算化学以及器件工程等，但它们同样是网格化学的其他重要发展方向。本书可以作为我们后续探索这些新兴方向的出发点。最后，我特别感谢李巧伟承担了本书的翻译工作，精心并严谨地完成了这一中文版的出版。
奥马尔·亚吉
2022年1月15日于伯克利
科学经典推荐
《网格化学导论：金属有机框架和共价有机框架》
【美】奥马尔·亚吉
【德】马库斯·卡尔穆茨基
【德】克里斯蒂安·迪克斯著
李巧伟译
本书从基础科学理论出发，引申到材料的合成、结构与性质，并扩展到这些材料在应对不同社会挑战方面的应用。网格化学这一全新领域结合了物质结构的美丽、构造单元和对应框架化学的丰富。该书尽力把这些思想传达给读者，从而创造一个迸发知识、激发创想的学*空间。
来源：“墨子沙龙”公众号
作者：奥马尔·亚吉
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