Nobel Hóa học 2025, bước ngoặt vật liệu 'bắt' khí độc, lọc nước sa mạc

Ba nhà khoa học Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar M. Yaghi được trao Nobel Hóa học 2025 nhờ phát triển khung kim loại-hữu cơ (MOF), vật liệu mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ lưu trữ năng lượng và bảo vệ môi trường.

Chiều 8/10 (giờ Hà Nội), Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển công bố giải Nobel Hóa học 2025 thuộc về ba nhà khoa học Susumu Kitagawa (Nhật Bản), Richard Robson (Australia) và Omar M. Yaghi (Mỹ).

Công trình của họ xoay quanh việc phát triển và hoàn thiện các khung kim loại-hữu cơ (metal-organic frameworks – MOF), một loại vật liệu tinh thể có cấu trúc đặc biệt, vừa nhẹ, vừa xốp, vừa có khả năng “bắt giữ” và lưu trữ các phân tử khí.

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển tại Stockholm công bố Giải Nobel Hóa học năm 2025 cho 3 nhà khoa học. Ảnh: nobelprize

Mọi chuyện khởi nguồn vào năm 1989, khi Richard Robson bắt đầu thử nghiệm việc khai thác các đặc tính tự nhiên của nguyên tử theo một hướng hoàn toàn mới. Năm 1989, nhà khoa học Richard Robson đã thử nghiệm một cách tiếp cận mới nhằm khai thác các đặc tính tự nhiên của nguyên tử. Ông kết hợp các ion đồng mang điện tích dương với một phân tử hữu cơ có bốn nhánh, trong đó mỗi nhánh đều có nhóm hóa chất hút mạnh ion đồng ở phần đầu. Khi liên kết, các phân tử này tự sắp xếp thành một tinh thể rỗng có cấu trúc đều đặn, trông như một viên kim cương chứa vô số khoang rỗng ở bên trong.

Robson nhanh chóng nhận ra tiềm năng to lớn của cấu trúc mới, song vật liệu khi đó chưa ổn định và dễ sụp đổ. Sau này, hai nhà khoa học Susumu Kitagawa và Omar Yaghi đã đặt nền móng vững chắc để hoàn thiện phương pháp kiến tạo này.

Trong giai đoạn 1992–2003, mỗi người trong số họ độc lập thực hiện những nghiên cứu mang tính cách mạng. Kitagawa chứng minh rằng các phân tử khí có thể đi qua cấu trúc xốp và tiên đoán rằng MOF có thể được thiết kế linh hoạt theo nhu cầu sử dụng. Trong khi đó, Yaghi đã tổng hợp thành công một loại MOF có độ bền cao, đồng thời cho thấy cấu trúc này có thể được điều chỉnh có chủ đích thông qua thiết kế hợp lý để đạt được những đặc tính mới.

Kế thừa những phát hiện đột phá đó, các nhà hóa học trên thế giới đã phát triển hàng chục nghìn loại MOF khác nhau. Một số trong đó đã được ứng dụng để giải quyết những thách thức lớn của nhân loại, như tách bỏ hóa chất PFAS khỏi nước, phân hủy dư lượng dược phẩm trong môi trường, thu giữ khí CO₂, hay thậm chí tách nước từ không khí khô của sa mạc.

Công trình của họ tạo ra các cấu trúc phân tử với không gian rộng lớn cho phép khí và các hóa chất khác lưu thông. Những cấu trúc này, được gọi là khung kim loại-hữu cơ , có thể được sử dụng để thu thập nước từ không khí sa mạc, thu giữ carbon dioxide, lưu trữ khí độc hoặc xúc tác các phản ứng hóa học.

Khung kim loại – hữu cơ (MOF), hay còn gọi là khung cơ kim, là một loại vật liệu được cấu tạo từ các ion hoặc cụm kim loại liên kết với các phối tử hữu cơ, hình thành nên cấu trúc có thể là một, hai hoặc ba chiều. Điểm nổi bật của MOF nằm ở độ xốp đặc biệt cao, cùng khả năng tùy chỉnh linh hoạt cả về thành phần kim loại lẫn phối tử hữu cơ trong mạng lưới cấu trúc của nó.

Khung kim loại – hữu cơ (MOF) ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp. Chúng có thể lưu trữ hoặc tách khí, lọc và tinh chế chất lỏng, lưu trữ năng lượng điện hóa, đồng thời đóng vai trò chất xúc tác và cảm biến hóa học có độ nhạy cao.

Không chỉ dừng lại ở các ứng dụng trực tiếp, MOF còn là tiền chất quan trọng để chế tạo các vật liệu vô cơ chức năng, có thể được thiết kế với tính chất và cấu trúc theo yêu cầu, bao gồm vật liệu cacbon, hợp chất gốc kim loại và các vật liệu tổng hợp lai ghép.

Với đặc tính xốp và có thể tùy chỉnh cấu trúc, vật liệu MOF có khả năng hấp phụ khí độc, khử chất ô nhiễm, làm xúc tác hóa học, thậm chí thu nước từ không khí khô hạn của sa mạc. Những ứng dụng này mở ra triển vọng thương mại to lớn, đặc biệt trong các lĩnh vực môi trường, năng lượng và công nghệ xanh minh chứng sinh động cho triết lý “hóa học vì hành tinh xanh” mà công trình Nobel Hóa học 2025 hướng tới.

Theo Hội đồng Nobel Hóa học, công trình của ba nhà khoa học được vinh danh năm nay đã tạo ra những cấu trúc phân tử có các khoang rỗng lớn, cho phép các phân tử khí và hợp chất hóa học di chuyển tự do bên trong khung.

“Những khung này có thể được ứng dụng để thu nước từ không khí khô, hấp thụ khí CO₂, lưu trữ khí độc hay xúc tác các phản ứng hóa học,” thông cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển nêu rõ.

Giáo sư Heiner Linke, Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, nhận định: “Các khung hữu cơ – kim loại (MOF) mang trong mình tiềm năng to lớn, mở ra những cơ hội chưa từng có để tạo ra những vật liệu có thể tùy chỉnh với chức năng hoàn toàn mới”.

Nobel là giải thưởng quốc tế do Quỹ Nobel tại Stockholm lập ra từ năm 1901 dựa trên tài sản của Alfred Nobel, nhà phát minh kiêm doanh nhân Thụy Điển. Giải được trao thường niên cho những cá nhân và tổ chức có cống hiến nổi bật trong các lĩnh vực Y sinh, Hóa học, Vật lý, Văn học, Hòa bình.

Năm 1901-2024, giải thưởng được trao 627 lần cho 1.012 cá nhân và tổ chức trên thế giới. Trong đó, giải Nobel Hóa học được trao 116 lần cho 197 học giả.

Nhà khoa học trẻ tuổi nhất đoạt giải Nobel Hóa học là Frédéric Joliot. Năm 1935, ở tuổi 35, ông được xướng tên cùng với vợ là Irène Joliot-Curie cho công trình tổng hợp những nguyên tố phóng xạ mới. Người lớn tuổi nhất trong lịch sử giải này là John B. Goodenough, nhà nghiên cứu 97 tuổi khi nhận giải Nobel Hóa học năm 2019 nhờ phát triển pin lithium-ion.

Mai Nguyễn