本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
八十年前，世界上很少有人听说过塑料。但在 1939 年，在纽约世界博览会上首次亮相后，一种塑料——尼龙——在不到一年的时间里就成为了家喻户晓的词语。虽然尼龙风靡袜子市场，但塑料逐渐普及到服装以及其他领域——厨房用品、电子产品、建筑材料、医药等等——还需要几十年。我们现在知道，塑料实际上成为了定义 20 世纪的材料。
展望未来，金属有机框架 (MOF) 有望成为 21 世纪的定义性材料。虽然这种 3-D 纳米晶体结构群仍处于早期阶段，但其商业应用正在迅速加速。你可能从未听说过 MOF，但我们相信，从现在起 50 年后，它们将像今天的塑料一样，成为人类生活中无处不在的一部分。
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塑料之所以能在社会上如此普及，是因为它们的通用性。塑料是聚合物，是单体的长重复链，可以替换单体以赋予它们不同的特性。通过简单地改变单体，聚合物可以变得更小或更大、更软或更硬、更硬或更有弹性、不透明或透明，甚至可以导电。
与聚合物一样，MOF 是一组材料，具有数百万种变体，适用于不同的应用，它们由小结构的重复单元组成。在这种情况下，这些结构是纳米尺寸的金属簇，并用有机分子连接它们。与仅在一个方向上生长的聚合物不同，MOF 以晶体的形式向各个方向扩展。它们具有非常刚性、均匀和精确的原子排列。
这种独特的均匀性使科学家能够以前所未有的精度设计和工程化 MOF。通过精确了解每个原子在 MOF 中的位置，计算工具可以在实验室合成之前快速建模和模拟不同的可能结构。MOF 目前正被用于小众应用，例如稳定用于制造电子产品（如智能手机中的硅芯片）的有毒气体，但我们相信它们正处于临界点，就像 80 年前的塑料一样。
迈向“特氟龙时刻”
20 世纪早期是合成聚合物发现的鼎盛时期。但许多早期聚合物不稳定，溶于水，并且缺乏广泛应用的灵活性。
尼龙是第一个广为人知的、商业上可用的合成聚合物。尼龙袜上市后，这种材料接下来出现在第二次世界大战的帐篷和降落伞中。大约在同一时间，在也发现了尼龙的杜邦公司，一位科学家意外地发现了聚合物聚四氟乙烯 (PTFE)。这种以特氟龙为商标的氟化塑料，早期用于涂覆曼哈顿计划中用于放射性材料的管道的阀门和密封件，但相对不为人知。这一切在 1954 年发生了变化，当时一位法国工程师和他的妻子尝试在炊具上使用特氟龙，从而在 1960 年代首次出现了涂有 PTFE 的不粘锅。
因此，塑料大约花了 60 年的时间才在多个行业中普及到消费者大众。对于 MOF 来说，这意味着我们正走在正确的轨道上。
经过二十年的实验室实验，产生了许多不稳定、不可靠和不切实际的结构后，MOF 现在首次出现在商业应用中。但 MOF 尚未迎来它们的“特氟龙时刻”。
随着越来越多的公司采用 MOF，他们将继续使制造支持 MOF 的产品更容易、成本更低，并且它们的应用将进一步扩展。基于 MOF 的绝缘材料、隔音耳机和先进传感器都可能在不久的将来出现。在更远的将来，我们可能会使用 MOF 从大气中提取碳或帮助为新一代燃料箱提供动力。
就像特氟龙的意外发现一样，我们可能会在途中看到一些意外的 MOF 发现。我们可以想象用于房间隔音的 DIY 涂料，因为 MOF 可以产生非常薄的绝缘层；或者基于 MOF 的人造肌肉，可以沿每个晶轴独立膨胀或收缩。但正如特氟龙在 100 年前无法预测一样，我们无法预测 MOF 可能性的全部范围
规划未来之路
虽然塑料确立了 MOF 的明确历史和化学先例，但纳米材料普及的商业路径却鲜为人知。正如塑料发生的情况一样，我们不认为 MOF 的商业化会有一个急剧的转折点；相反，如果成本能够充分降低，它就会像水找到它的水平一样——MOF 将找到广泛的应用。
在此之前，科学家们每天都在发明制造具有重要现实应用的新型 MOF 的方法。他们正在为使 MOF 成为 21 世纪的塑料铺平道路。