【2025諾貝爾化學獎】他們為化學開啟了新的空間

蔡蘊明 譯  國立臺灣大學化學系名譽教授

 

北川進（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）和奧馬爾·M·亞基（Omar M. Yaghi）因開發出一種新型分子結構而榮獲2025年諾貝爾化學獎。他們創造的這種構造 — 金屬有機骨架 — 包含巨大的空腔，分子可以在其中進出。研究人員利用它們從沙漠空氣中獲取水分、從水中提取污染物、捕獲二氧化碳以及儲存氫氣。

Irradiation of Bifunctional Masked Ketone Pro-Aromatics Unveils Autoinductive Autocatalysis via Electron Donor–Acceptor (EDA) Complexes

Cheng-Lin Chan, Yong-Ting Tsao, Aira Shayne Paculba, Pei-Shan Lin, Zong-Nan Tsai, Hung-Hsuan Chiu, Risa Kunitake, Ming-Jia Chiu, Chun-Chi Yeh, Cheng-Chau Chiu,

and Hsuan-Hung Liao 

Org. Lett. 2025, 27, 35, 9593–9598

國立中山大學 化學系 廖軒宏副教授

預芳香族化合物二氫喹唑啉酮 (dihydroquinazolinone, DHQZ) 是一種酮類衍生物，能夠利用芳香族穩定能促進碳碳鍵斷裂，從而進行基團轉移。此反應通常由光催化劑和過渡金屬引發，生成自由基和副產物喹唑啉酮 (quinazolinone)。研究團隊開發出一種全新的自誘導式自催化電子供體受體錯合物 (autoinductive autocatalytic electron donor-acceptor complex) 模式，能夠在溫和且無需外加引發劑的條件下，由DHQZ直接生成光化學自由基。這項策略不僅突破了傳統方法的限制，更展現出高度的靈活性與效率，能夠應用於多種化學轉化之中包括醯化、烷基化、碳-雜原子鍵形成，甚至是生物分子修飾。在這類反應的核心機制中，DHQZ扮演了雙重角色：它既是電子供體，也是潛在的電子受體。反應過程中重新利用生成的副產物喹唑啉酮，與DHQZ在路易斯酸的輔助下形成新的 EDA 錯合物，間接促進整體反應的進行，使反應本身能夠透過光自誘導的方式自我加速，展現出獨特的自催化特徵。這項工作不僅拓展了EDA光化學的反應範疇，也首次引入並實證了「光自誘導自催化」這一全新概念。更重要的是，此方法已展現出放大生產以及光流體化學的潛力，朝向綠色化學與可持續合成的實際應用邁進。博士生湛政霖以及已經畢業碩士生曹詠婷為共同第一作者，非常傑出的學生！

Octalenobisterphenylene and Its Diradical Dianionic Cyclodimer: Synthesis, Structural Analysis, and Properties

Ming-Lun Pan, Herdya S. Torchon, Heena Tawa, Zheng Wei, Wei-Ting Ou, Mu-Jeng Cheng, Marina A. Petrukhina, Yao-Ting Wu

Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202505161

國立成功大學 化學系 吳耀庭教授

國立成功大學 化學系 鄭沐政教授

多環芳烴（PAH）可以說是最豐富的化合物類型，這歸因於其分子大小和幾何形狀的廣泛範圍。這種結構多樣性賦予 PAH 獨特的物理和電子特性、複雜的立體化學和多面向的化學反應性，使其成為基礎科學或者有機材料的研究標的。來自國立成功大學與美國紐約州立大學的跨國研究團隊合作探索新型多環芳烴 octalenobisterphenylene (OBT)。OBT具有四個四元環和兩個八元環，可經由精心設計的一鍋兩步驟反應製備，合成程序是以3,3',5,5'-四芳基取代的聯芳烴為起始物，經由叔丁基鋰誘導的環化反應，形成四個橘色碳-碳鍵，進而產生含有四個四元環中間體，最後再藉由四氯化鈦參與的氧化偶聯反應，形成兩個八元環。

 

OBT是一種結構和π系統獨特的分子，擁有兩個極具張力的[3]phenylene次結構。當此分子在鈉金屬還原下可生成自由基陰離子 [Na⁺OBT^·–]，兩個分子會藉由分子間π–π作用力彼此靠近，進而發生連續兩次的[2+2]環化加成反應，連結成穩定的環化二聚體[(Na⁺)₂(OBT^·–)₂]。單晶X光繞射證實這個獨特結構，新形成的四個紅色σ鍵可將整個分子的π系統分割成為二個分子半部。這種不尋常的環二聚化反應可能是由 OBT顯著的反應性和張力所驅動，密度泛函理論（DFT）計算證實了這項推論。研究團隊透過單電子自旋共振（ESR）光譜驗證這個環二聚化產物[(Na⁺)₂(OBT^·–)₂]擁有開殼層單重態（open-shell singlet）的特性，意即兩個未成對電子分別分布在各自的分子半部，彼此之間幾乎沒有磁性交互作用。值得一提的是，中性富勒烯分子C₆₀在特殊條件下可進行類似的環二聚化反應，形成C₁₂₀，[Na⁺OBT^·–]的環二聚化機制或許可為C₁₂₀的形成提供訊息。上述研究工作揭示了OBT的合成方法、性質及特殊反應性，開啟聯苯烯 (biphenylene) 衍生物的新知識。  

Photo-Healable and Stretchable Fibers from Upcycled TPEE and Azopolymers by Harnessing Solid-to-Liquid Photoisomerization

Yen-Shen Hsu, Tsung-Hung Tsai, Chun-Chi Chang, Tse-Yu Lo, Kai-Chuan Kuo,

Yu-Chun Lin, Ji Lin, Kesavan Manibalan, Chia-Wei Chang, Jhih-Hao Ho, Che-Tseng Lin, and Jiun-Tai Chen 

ACS Applied Materials & Interfaces, 2025, 17, 36, 51256-51266

陽明交通大學 應用化學系 陳俊太特聘教授

本研究回應環境永續的需求，提出一種結合「塑料升級再造（upcycling）」與「光觸發自我修復」的新型智慧纖維製程。團隊將回收寶特瓶塑料（PET）裂解後再聚合，製得具彈性的熱塑性聚酯彈性體（TPEE），並與具可逆光異構化特性的偶氮高分子（PAzo）混摻，藉由靜電紡絲製備出一維光響應纖維。此材料最大特色在於其光誘導的固-液相轉變自癒機制。在紫外光照射下，PAzo 發生 trans–cis 異構化並轉為流動態，可填補纖維中的裂縫；再經可見光照射回復為固態，完成結構修復。纖維在不同混摻比例下皆展現良好機械延展性與自癒效率，其中 TPEE:PAzo 為 5:1 時的斷裂伸長回復率達 50.7%。此雙階段、可逆光控制的修復策略，成功實現具彈性、耐損傷且可多次修復的機能性纖維。本研究不僅賦予回收塑料高附加價值，也開啟智慧紡織品應用的新方向，是兼具環保與材料功能創新的重要成果。

Shiue-Min Shih, and Li-Chiang Lin

J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 38, 34791–34803

國立臺灣大學 化學工程學系 林立強教授

為了因應日益嚴重的缺水問題，從大氣取水（Atmospheric Water Harvesting）近年來備受關注，透過多孔材料—特別是金屬有機框架結構（Metal–Organic Frameworks, MOFs）—直接從空氣中吸取水分並脫附產水。MOFs 是一種可高度調控的結構，擁有極大的表面積。這類材料在大氣取水應用上的表現，與其水吸附特性密切相關，但針對水在MOFs內吸附行為的理解迄今仍十分有限。

 

本研究利用電腦模擬系統性地分析超過 200個MOF結構，運用flat histogram Monte Carlo 技術，結合熱力學穩定性、巨觀態機率、自由能及氫鍵網絡等分析手法，探討水在MOFs內的吸附行為與其關鍵因素。研究發現，MOFs的吸附行為呈現出非常多樣的型態，從漸進式的水分吸附（非 S型等溫線）到突發性的吸附（S型等溫線）。即使是同樣呈現 S 型吸附曲線的MOFs，其吸附過程也可能遵循完全不同的機制，展示出獨特的相行為（phase behaviors），這些相行為也被發現與MOFs中受限水分子的臨界溫度（critical temperature）存在關聯。此外，本研究也建立吸附特性與MOFs的結構與化學性質的連結。例如，具有moderate heat of adsorption的材料，較可能出現理想的S 型等溫線，而孔徑大小與吸附位點的分布則會影響吸附曲線的上升劇烈程度與位置。特別是在預測吸附step pressure方面，本研究也提出一稱之為connectivity index的新穎量化指標。這個指標不僅考慮水於結構內吸附位點的密度，更包含其連結程度與空間分布的均勻性。

 

總結來說，本研究探索並了解MOFs在吸附水分子方面的多樣行為，有望幫助未來MOF材料的設計。

Harnessing Dynamic Heteroleptic Complexation for Self-Assembly of Robust Nested Metallo-Supramolecular Cages

Soumyakanta Prusty, Hung-Kai Hsu, Mahesh Madasu, Alisha Rani, Jun-Hao Fu,

Lin-Ting Lin, Ming-Hao Lee, Ming-Wen Chu, Chun-Hong Kuo, and Yi-Tsu Chan 

J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 33914–33922

國立臺灣大學 化學系 詹益慈教授

國立陽明交通大學 應用化學系 郭俊宏教授

國立臺灣大學 凝態科學研究中心 朱明文研究員

自然界中常見的嵌套結構，例如病毒殼體包裹遺傳物質，或多層脂質囊泡在細胞間傳遞訊號，展現出高度有序的空間組織與精密的功能分工。相較之下，要在人工系統中於分子層級精準構築類似的複雜結構，始終是超分子化學領域的一大挑戰。研究團隊以「異配位驅動的精準自組裝」為核心，透過取代基立體效應調控策略，設計出第二代互補的三聯吡啶配體對，並有效抑制同源錯合反應的發生，進一步結合多價配體設計，成功實現高選擇性且具可控制性的多組分自組裝，建構出兼具層級結構與卓越穩定性的嵌套金屬超分子籠：外層為截角四面體、內層為八面體，整體尺寸約為8.6奈米。經高場核磁共振（800 MHz NMR）、高解析質譜、小角X光散射（SAXS）及高角環形暗場掃描穿透式電子顯微鏡（HAADF-STEM）等多項技術鑑定，證實該結構為單一且精準的雙層組裝體。該分子籠於溶液中展現極高穩定性，其配體交換半衰期長達七個半月以上，顯著優於一般金屬配位超分子。此外，此嵌套籠同時具備兩種不同尺寸的內腔，可作為奈米反應器使用，能在受限空間中精準調控金屬成核與生長，成功生成粒徑均一的金奈米粒子。此成果不僅揭示多價異源配位於層級結構自組裝中的關鍵作用機制，更為發展功能性超分子材料開啟嶄新方向。

Effect of Halogen/Chalcogen Substitution on the Dielectric Constant of Asymmetric Acceptor Alloys to Improve the Efficiency and Stability of Inverted Organic Photovoltaics

Yan-Bo Wang, Yung-Jing Xue, Chieh-Ming Hung, Kuo-Hsiu Huang, Bing-Huang Jiang, Chia-Lin Tsai, Yu-Chi Huang, Hong-Yi Chen, Shang-Da Yang, Su-Ying Chien,

Chih-Ping Chen, Pi-Tai Chou, and Yen-Ju Cheng 

Chem. Sci., 2025, 16, 17391–17407

國立陽明交通大學 應用化學系 鄭彥如教授

國立臺灣大學 化學系 周必泰教授

有機太陽能電池（OPVs）的功率轉換效率（PCE）雖已大幅提升，但仍受限於顯著的能量損失，主要源自有機半導體本身介電常數（ε_r）偏低。當材料受到光激發時，會生成庫倫力束縛的電子–電洞對（激子），其有效解離成自由電荷載子對高效率至關重要。激子束縛能（E_b）與材料的介電常數呈反比關係（E_b ∝ 1/ε_r），即 εr 越大，激子越易解離。無機太陽能電池如矽與砷化鎵的ε_r約為 12，而新興鈣鈦礦材料甚至高達 30，可實現自發激子解離。然而，多數有機半導體的ε_r僅約3–4，導致電子與電洞間的庫倫吸引強烈，進而造成非輻射復合與能量損失，限制了元件性能的進一步突破。本研究提出具高極化性的非富勒烯受體（NFA）CBrB-Cl。其分子結構中引入易極化的溴原子與較大的偶極矩，成功提升了材料的介電常數。與高分子PM6組合後，元件達到17.7%的優異 PCE。進一步導入含硒受體CB-Se，可進一步提升介電常數，促進激子解離並抑制電荷再結合，使效率提高至 18.33%，為反式構型有機太陽能電池中少數能突破 18% 的例子。此外，該元件在 85 °C 持續加熱 400小時後仍可維持初始效率的 91%，展現出極佳的熱穩定性。這項研究揭露了提升介電常數對於提升元件表現的影響，並且展現了引入溴原子進行修飾的潛力，為後續研究提供了新的材料設計方向。

Emerging Inkjet-Compatible Anti-Counterfeiting Inks Based on Microfluidic-Synthesized NIR PbS/CdS Quantum Dots

Andi Magattang Gafur Muchlis, Chong-Ci Hu, Hoang-Duy Nguyen,

Ramadhass Keerthika Devi, Yi-Ting Tsai, Yu Chun Lee, and Chun Che Lin

JACS Au 2025, 5, 10, 4856–4869

國立臺北科技大學 分子科學與工程系 林群哲副教授兼系主任

本研究利用一種兼具高效率與產業應用潛力之微流道合成技術，製備具紅外發光特性之硫化鉛/硫化鎘（PbS/CdS）核殼量子點（quantum dots, QDs），並成功應用於可噴墨列印之防偽墨水。PbS量子點具可調變能隙與寬吸收範圍，為近紅外（NIR）光電元件與光學感測之理想材料；然而傳統批次合成方法難以精確控制反應條件，導致粒徑分布不均與再現性低。本研究利用微流道系統針對流速、混合、溫度與反應時間進行精準調控，能於短時間內合成具高單分散性與穩定性之QDs，僅需5分鐘即可製得PbS/CdS核–殼結構材料，其發光波長範圍於1,200–1,600 nm。

 

進一步將合成之NIR QDs製備可用於商用噴墨列印之防偽墨水，透過調整1-辛烯（ODE）與辛烷之溶劑比例並引入聚乙烯提高穩定性，所製備之油性疏水性墨水展現優異之接觸角（97^o）與耐水性（可維持65分鐘），列印後無斷墨現象，該墨水可於多種基材紙張列印，於可見光下呈現隱形圖案，僅能於藍光照射並以紅外相機拍攝時被辨識，實現高度隱蔽之防偽辨識功能。 

 

微流道合成不僅顯著縮短反應時間，亦具連續化與大規模製程潛力；結合可調波長、高穩定性之PbS/CdS量子點與可噴墨列印之紅外光墨水，揭示低成本、高安全性之防偽應用策略，此成果亦為光致發光防偽技術提供全新方向，未來於貨幣、證件與重要資料保護等領域開啟新一代紅外光學防偽系統奠定重要基礎。

國立嘉義大學 應用化學系 和 高雄醫學大學 醫藥暨應用化學系

蘇  明  德  教  授 

 

(文章內容版權為蘇明德教授所有，如需引用請聯繫midesu@mail.ncyu.edu.tw)

「釩」是一種明亮、帶有銀白色光澤的金屬，耐腐蝕性強，且「釩」的延展性很高，可以很容易延伸成細絲線。「釩」的熔點高達攝氏1910度，而「釩」的沸點也高達攝氏3407度。 

 

純態的「釩」會和空氣中的〝氧〞作用，在「釩」表面上生成〝氧化釩〞，進而防止「釩」的內部更進一步的氧化，使固態的「釩」可以更穩定存在。這種現象和〝鋁〞金屬很相似，〝鋁〞在空氣中也會和〝氧〞作用，在〝鋁〞的外表生成薄層的〝氧化鋁〞，這可避免〝鋁〞進一步氧化。「釩」也不溶於水，更不會和〝鹽酸〞或〝冷硫酸〞起反應，但「釩」却會和〝硝酸〞產生反應。  

 

「釩」的硬度是7.5（世界上最硬的物質是〝鑽石〞，其硬度為10），「釩」比〝鋼〞還硬，所以可以用來刻劃玻璃和〝石英〞。只要在〝鋼〞中加入不到1%的「釩」，所製得的〝釩鋼〞（Vanadium Steel）的彈性、韌性、硬度等就會顯著地增加，難怪人們用對人體極為重要的維生素來讚譽「釩」，稱「釩」為〝鋼鐵的維生素〞。 

 

「釩」另一個未來被看好的新用途，就是用「釩」來製作電池的零件，以便應用在電動汽車上，如此一來，希望能達成〝節能減碳〞的功效。這是因為含「釩」的氧化物具有會隨著晶體結構的不同，其晶體內部的「釩」也會出現不同的氧化態（從+2到+5），處於這些氣化態的「釩」具有高度穩定性，進而產生豐富的氧化還原化學反應，可將化學能轉化為電能。無怪乎，有人預言以「釩」為主的氧化物將會是未來推動電池革命的下一代新電極材料。 

聯合國永續發展目標(SDGs)之一，是實現「人人享有安全且永續的水資源與普及的衛生設施」。全球數十億人口正面臨前所未有的水資源匱乏與污染的嚴峻挑戰，特別是重金屬、藥物與新興有機污染物，正迫使淨水技術必須持續革新。因此，開發安全、經濟且永續的新型淨水材料與技術已是當務之急。本書針對此議題進行深入探討，不僅介紹了用於淨水的生物材料與綠色新穎材料製造方法，也廣泛討論了多項重要應用，從利用過渡金屬碳化物MXene或奈米纖維素製成的薄膜，到運用石墨烯、氧化鐵等先進奈米材料進行污染物吸附與過濾，本書全面涵蓋了最新的研究進展，展現了淨水技術的多元創新與前瞻性。  

 

隨著 12 月底國科會計畫申請截止日的逼近，我們正逐步進入一年一度的高強度挑戰期。接下來的一個多月，將會是大家日以繼夜、腦力全開埋首於研究與申請書的衝刺階段，希望大家能從電子報中的〈推薦報導〉汲取研究靈感，並從〈臺灣研究新發現〉中發掘潛在的合作對象，祝大家寫計畫都能順順利利，一起錢進2026！(加油衝~~)

 

歡迎大家繼續透過化學圖書電子報獲得化學新知和研究新發現，也再次和大家宣傳我們【自然科學及永續研究圖書服務計畫-化學領域】的館際合作服務，當大家在研究中遇到無法獲得的期刊文章、或是無法開啟在電子報中〈書訊補給站〉介紹的專書、〈推薦報導〉的新知，〈臺灣研究新發現〉成果發表的期刊，別忘了「化學中心總圖書室」始終支持您的研究工作，可以提供「零距離、免付費」的館際合作服務，線上提出申請，化學領域的電子期刊、電子書，以及紙本文獻通通都有！化學中心總圖書室會於正常上班時間4小時內回覆(週一~五，09:00-17:00)，歡迎多加利用。

 

工作團隊介紹

邱靜雯教授(主編)、施定男(推薦報導中文導讀撰寫)、翁雅芳(研究成果蒐集、書訊撰寫)、

高瑋(編輯時程及內容規劃、各欄位校稿、數據分析)、楊家祥(美編)