Nobel Hóa học 2025: Từ 'đồ chơi xếp hình' đến vật liệu thế kỷ

Giải Nobel Hóa học 2025 vinh danh ba nhà khoa học tiên phong phát triển khung kim loại - hữu cơ (MOF) - vật liệu xốp mang tính cách mạng với tiềm năng ứng dụng rộng rãi, từ thu giữ nước ở sa mạc, lưu trữ CO₂ đến vận chuyển thuốc trong cơ thể.

Ngày 8-10 tại Stockholm (Thụy Điển), ba nhà khoa học Susumu Kitagawa (74 tuổi, Đại học Kyoto - Nhật Bản), Richard Robson (88 tuổi, Đại học Melbourne - Úc) và Omar M. Yaghi (60 tuổi, Đại học California - Berkeley, Mỹ) đã được trao giải Nobel Hóa học lần thứ 117.

Thành tựu của họ kể nên câu chuyện đẹp về khát vọng tri thức, sự bền bỉ trong nghiên cứu và sức mạnh của hợp tác khoa học xuyên biên giới.

Vật liệu xốp đa năng ứng dụng

Công trình đoạt giải mang tên "Sự phát triển khung kim loại - hữu cơ" (metal-organic frameworks, MOF). Trong cấu trúc này, các ion kim loại đóng vai trò làm nền tảng, được liên kết với những phân tử hữu cơ dài chứa gốc carbon. Sự kết hợp đó tạo nên các tinh thể có khoang rỗng lớn - vật liệu xốp với đặc tính độc đáo.

Bằng cách điều chỉnh các khối cấu trúc, các nhà hóa học có thể thiết kế MOF để thu giữ, lưu trữ những chất cụ thể, xúc tiến phản ứng hóa học hoặc dẫn điện.

"Khung kim loại - hữu cơ có tiềm năng to lớn, mở ra cơ hội chưa từng có cho việc tạo ra vật liệu tùy chỉnh với nhiều chức năng mới" - ông Heiner Linke, Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, nhận định tại lễ trao giải.

Từ những khám phá tiên phong của ba nhà khoa học, giới nghiên cứu đã và đang phát triển ra hàng chục nghìn loại MOF khác nhau, mở ra vô số hướng đi cho khoa học và công nghệ.

Câu chuyện bắt đầu từ năm 1989, khi GS Richard Robson tại Đại học Melbourne (Úc) thử khai thác một cách mới để tạo dựng cấu trúc hóa học.

Ông kết hợp các ion đồng tích điện dương với phân tử bốn nhánh có nhóm hóa học hút các ion đồng ở đầu mỗi nhánh. Kết quả là hình thành tinh thể có cấu trúc trật tự, không gian rộng, như một viên kim cương chứa vô số khoang rỗng.

Sau đó, ông Robson và cộng sự xây dựng nguyên tắc "que - nút" để tạo mạng phối trí có khoang rỗng, mở đường cho việc thiết kế khung kim loại - hữu cơ theo hình khối mong muốn. Tuy nhiên các cấu trúc ban đầu chưa ổn định và dễ sụp đổ, đó chính là rào cản lớn nhất của giai đoạn khởi điểm.

Ba châu lục cùng một đột phá

Tuy nhiên, hai nhà khoa học Susumu Kitagawa và Omar Yaghi đã mang đến cho phương pháp này nền tảng vững chắc. Từ năm 1992 đến 2003, họ liên tiếp thực hiện nhiều khám phá mang tính cách mạng khác.

Tại Đại học Kyoto (Nhật Bản), GS Kitagawa đã lật đổ quan niệm phổ biến trước năm 1997 rằng các tinh thể hữu cơ rỗng sẽ sụp đổ nếu không có gì bên trong.

Ông chứng minh có thể tạo ra vật liệu lai hữu cơ - kim loại vừa xốp vừa bền, đồng thời cho thấy khí có thể ra vào các cấu trúc đó. Ông còn đưa ra khái niệm "MOF biết thở", mô tả khả năng khung MOF giãn nở và co lại theo phân tử hấp phụ, giống như lá phổi con người.

Khi còn trẻ, nghiên cứu sinh và sau này là GS Yaghi tự hỏi vì sao hóa học vật liệu chỉ giới hạn ở "lắc và nung". Từ đó, ông nảy ra ý tưởng "khâu" các khối phân tử như trò chơi xếp hình để tạo mạng tinh thể theo thiết kế.

Tư duy này trở thành nền tảng của "hóa học kết mạng" (reticular chemistry), và chính ông đã đặt tên MOF cho loại vật liệu mới. Ông cũng phát triển các thiết kế mang tính lý thuyết và tạo nên vật liệu kinh điển MOF-5 với diện tích bề mặt khổng lồ và độ ổn định cao.

Sau những đêm trắng trong phòng thí nghiệm, những mẫu tinh thể nứt vỡ và vô số thất bại, ông Robson đặt nền móng cho MOF. Ông Kitagawa chứng minh tính xốp linh hoạt, còn ông Yaghi hệ thống hóa phương pháp và ngôn ngữ nhằm giúp cộng đồng khoa học tiếp tục mở rộng ứng dụng cho sản xuất và đời sống.

Tuy làm việc riêng lẻ ở ba châu lục, nhưng ba cây đại thụ trong ngành hóa học này vừa là đồng nghiệp vừa là bạn bè thân hữu trong suốt nhiều thập niên qua. Họ bổ sung cho nhau những đột phá trong nghiên cứu có từ năm 1989.

Thành viên Ủy ban Nobel Hóa học Olof Ramström ví khám phá của họ như "chiếc túi thần kỳ của Hermione Granger" trong truyện Harry Potter, với vẻ bề ngoài nhỏ bé nhưng đủ sức chứa cả thế giới bên trong.

Những năm tháng ban đầu và cả quá trình hàng chục năm nghiên cứu đó đã đưa đến trái ngọt là giải thưởng Nobel danh giá hôm nay. Câu chuyện của MOF dĩ nhiên chỉ là mới bắt đầu.

Từ phòng thí nghiệm đến đời sống

MOF hiện được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống. Ngoài những công dụng được Ủy ban Nobel nêu, vật liệu này còn có thể lưu giữ khí thải CO₂ để chuyển hóa thành sản phẩm hữu cơ có ích, giải phóng thuốc trong cơ thể, xúc tác phản ứng hóa học, và thậm chí làm chậm quá trình chín của trái cây bằng cách giữ ethylen.

Những ví dụ đó cho thấy MOF không chỉ là vật liệu xốp "đẹp" cho nghiên cứu cơ bản mà còn là nền tảng công nghệ quan trọng cho năng lượng, môi trường và y sinh, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

Tại Việt Nam, nhiều nhóm nghiên cứu ở các trường đại học và viện khoa học đã ứng dụng MOF trong xúc tác, lưu trữ khí và giải phóng thuốc. Điều này cho thấy các nhà khoa học trong nước đang theo kịp xu hướng công nghệ tiên tiến.

Trong vài năm tới, MOF sẽ được đưa vào quy trình bán công nghiệp, tích hợp trong thiết bị thu nước, thu CO₂, các cột hấp phụ và màng lọc tinh.

Dự kiến trong 5 - 10 năm tới, MOF có thể được thiết kế theo yêu cầu để lưu trữ hydro an toàn, tách chọn lọc phân tử, cảm biến môi trường độ nhạy cao và xúc tác hóa học xanh - giúp giảm chi phí năng lượng, cắt giảm phát thải và mở ra thị trường vật liệu khung thế hệ mới.

Với tốc độ phát triển của trí tuệ nhân tạo, không loại trừ khả năng AI sẽ thúc đẩy việc tạo ra những MOF có giá trị ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực khác.