Giải Nobel Hóa học 2025 được trao cho Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar M. Yaghi nhờ đóng góp đột phá trong phát triển khung hữu cơ-kim loại (MOFs), mở ra ứng dụng trong lưu trữ khí, lọc, xúc tác và xử lý môi trường.
Giải Nobel Hóa học 2025 và “phép màu MOFs”
Năm 2025, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển quyết định trao Giải Nobel Hóa học cho ba nhà khoa học: Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar M. Yaghi, vì những đóng góp chủ chốt trong việc phát triển các cấu trúc Metal-Organic Frameworks (MOFs) — tạm dịch là khung hữu cơ-kim loại.
Theo Ủy ban Nobel, những cấu trúc MOFs là một dạng kiến trúc phân tử mới cho phép lưu trữ, lọc và dẫn dòng các khí, chất lỏng và phân tử khác nhau. Các nhà khoa học đã biến những khung rất xốp (“porous”) thành vật liệu có thể kiểm soát độ rỗng, tính ổn định và chức năng chuyên biệt cho nhiều ứng dụng quan trọng.
MOFs được so sánh với “túi chống kỳ” nhỏ bé nhưng chứa được lượng lớn khí hay phân tử — trong một số trường hợp, mẫu nhỏ bằng viên đường cũng có diện tích bề mặt tương đương một sân vận động. Việc này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc hấp thụ carbon dioxide, thu nước từ không khí sa mạc, lưu trữ khí nhiên liệu, lọc chất độc và xúc tác trong các phản ứng hóa học.
Đóng góp nổi bật của ba nhà khoa học
Susumu Kitagawa
Là giáo sư tại Đại học Kyoto (Nhật Bản), Kitagawa chuyên nghiên cứu hóa phối hợp, vật liệu rỗng và sự biến đổi cấu trúc trong MOFs. Ông đã chứng minh rằng các khung MOF có thể điều chỉnh để thích ứng với các loại phân tử khác nhau, ví dụ khí CO₂, khí methane, oxy. Kitagawa đưa ra các thiết kế MOF mềm dẻo (flexible MOFs), có khả năng đổi hình khi tương tác với các chất mục tiêu, giữ cho tính ổn định và chức năng sử dụng cao.
Richard Robson
Richard Robson, hiện là giáo sư tại Đại học Melbourne (Australia), được xem là một trong những người tiên phong trong lĩnh vực tinh thể học và hợp chất phối hợp (coordination polymers). Từ những nghiên cứu từ những năm 1980–1990, Robson đã phát triển các mạng lưới kết nối kim loại và các ligand hữu cơ theo mô hình cấu trúc tinh thể 3D, đặt nền móng cho MOFs. Ông góp phần quan trọng trong việc thiết kế khung có cấu trúc định hình, ổn định và diện tích bề mặt lớn.
Omar M. Yaghi
Omar Yaghi, hiện tại là giáo sư tại Đại học California, Berkeley (Mỹ), là người phát triển mạnh mẽ khái niệm hóa học reticular — xây dựng các khung kết nối từ các “khối xây dựng phân tử” giống như ghép Lego. Ông đã hoàn thiện các phương pháp tổng hợp MOFs có độ tinh khiết cao, độ rỗng cực lớn và khả năng chọn lọc phân tử. Những MOF nổi tiếng như MOF-5 và các biến thể tiếp sau cho thấy tiềm năng lưu trữ khí hydro và CO₂ rất cao.
Ứng dụng và tác động của MOFs
- Lưu trữ và tách khí: MOFs có khả năng hấp thụ và giữ các khí như CO₂, methane, nitơ, oxy. Nhờ độ rỗng cực cao và tính chọn lọc phân tử, chúng có thể dùng để tách khí hỗn hợp trong công nghiệp.
- Xử lý và lọc môi trường: MOFs có thể loại bỏ chất độc, hóa chất “forever chemicals” (PFAS), thuốc trong nước, giúp làm sạch nguồn nước ô nhiễm.
- Thu nước từ không khí: Một số loại MOF có khả năng ngưng tụ hơi nước từ không khí sa mạc, cung cấp nguồn nước ở nơi khô hạn.
- Xúc tác hóa học: Nhờ diện tích bề mặt lớn và khả năng gắn phân tử chọn lọc, MOFs được dùng làm chất xúc tác trong các phản ứng tổng hợp hóa học hoặc xử lý khí thải.
- Lưu trữ năng lượng, pin và nhiên liệu: MOFs có thể ứng dụng trong lưu trữ hydrogen, khí nhiên liệu khác, hoặc tích hợp trong vật liệu điện tử tiên tiến.
Những ứng dụng này đưa MOFs trở thành một trong những vật liệu nổi bật của thế kỷ 21, có khả năng giải quyết các thách thức lớn về biến đổi khí hậu, môi trường và năng lượng.
Ý nghĩa và triển vọng tương lai
Việc trao Nobel Hóa học 2025 cho phát triển MOFs không chỉ công nhận giá trị khoa học cơ bản mà còn mang thông điệp về sự quan trọng của vật liệu mới trong giải quyết các vấn đề toàn cầu. MOFs có thể trở thành công cụ chủ chốt trong chiến lược giảm phát thải, làm sạch môi trường và phát triển bền vững.
Trong tương lai, các hướng nghiên cứu đáng chú ý gồm:
- Tăng độ ổn định của MOFs trong điều kiện khắc nghiệt
- Giảm chi phí sản xuất quy mô lớn
- Kết hợp MOFs với các vật liệu mới như perovskite, graphene để tạo ra vật liệu lai chức năng cao
- Nghiên cứu MOFs kích thước nano, ứng dụng trong y sinh, cảm biến phân tử
Discussion about this post