Vật liệu rỗng - chìa khóa giúp các nhà khoa học giành Nobel Hóa học 2025

(Dân trí) - Giải thưởng Nobel Hoá học 2025 vừa vinh danh 3 nhà khoa học phát minh khung kim loại - hữu cơ, mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ lưu trữ, tách chọn và xử lý vật chất ở cấp độ phân tử.

Chiều ngày 8/10, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công bố Giải Nobel Hóa học năm 2025 thuộc về ba nhà khoa học Susumu Kitagawa, Richard Robson and Omar M. Yaghi vì những đóng góp tiên phong trong phát triển khung kim loại - hữu cơ (MOFs).

Chân dung ba nhà khoa học chiến thắng giải thưởng Nobel Hóa học 2025.

Theo Hội đồng Nobel, đây là bước ngoặt cho sự hình thành một ngôn ngữ hoàn toàn mới của ngành khoa học vật liệu. Các kim loại và hợp chất hữu cơ được kết nối tinh vi để hình thành nên những mạng lưới rỗng có khả năng lưu trữ, tách chọn và chuyển hóa các phân tử - hướng đi được xem là cách mạng trong công nghệ năng lượng, môi trường và hóa học hiện đại.

Sự kết hợp diệu kỳ giữa kim loại và hữu cơ

Khung kim loại - hữu cơ là các cấu trúc tinh thể được tạo thành từ các ion kim loại hoặc cụm kim loại (metal ions/ clusters) liên kết với các phân tử hữu cơ (organic linkers) theo một cấu trúc lặp lại có trật tự, hình thành nên một mạng lưới ba chiều.

Trong không gian giữa các nút kim loại và các phân tử liên kết, tồn tại những khoang rỗng lớn, khiến loại vật liệu này có độ xốp cực cao. Khác với vật liệu rắn truyền thống, diện tích bề mặt khung kim loại - hữu cơ có thể lên tới hàng nghìn mét vuông trên mỗi gram.

Cấu trúc rỗng bên trong khung kim loại - hữu cơ (Ảnh: MOF Technologies).

 Trao đổi với tạp chí Chemistry World vào năm 2017, giáo sư Omar Yaghi cho biết độ xốp của một số MOFs có thể đạt tới 10.000 m2/gram (lớn hơn gấp 10 lần các vật liệu xốp khác), một gam MOF có thể sở hữu diện tích bề mặt trong tương đương với khoảng hai sân bóng bầu dục Mỹ. Chính đặc tính này khiến MOFs có khả năng hấp phụ, lưu trữ hoặc phân tách phân tử một cách có kiểm soát, vượt trội hơn nhiều so với các vật liệu xốp khác như zeolit hay silica.

Theo tài liệu từ Ủy ban Nobel, đây là “những vật liệu có độ rỗng chưa từng có trong tự nhiên, song vẫn giữ được tính ổn định và bền vững trong cấu trúc tinh thể”.  Nhờ khả năng kết hợp giữa tính linh hoạt của hợp chất hữu cơ và độ bền của kim loại, khung kim loại - hữu cơ đã trở thành một trong những phát minh quan trọng nhất của ngành hóa học thế kỷ 21.

Từ ý tưởng đến cách mạng khoa học

Sự phát triển của khung kim loại - hữu cơ là câu chuyện kéo dài hơn ba thập kỷ, bắt đầu từ những thí nghiệm đầu tiên của Richard Robson tại Đại học Melbourne (Australia) vào cuối những năm 1980.

Ông là người tiên phong trong việc xây dựng khung kim loại - hữu cơ đầu tiên, thông qua việc nhận ra rằng: liên kết các ion kim loại với các phân tử hữu cơ có thể tạo ra cấu trúc tinh thể mở rộng theo một, hai hoặc ba chiều. Tuy nhiên, các vật liệu thời kỳ đầu này thường thiếu ổn định và dễ sụp đổ khi tiếp xúc với dung môi hoặc nhiệt độ cao.

Các ion kim loại và các phân tử hữu cơ được kết hợp cẩn thận để tạo thành một cấu trúc tương tự khung tứ diện kim loại (Ảnh: The Royal Swedish Academy of Sciences).

Đến giữa thập niên 1990, Susumu Kitagawa, khi đó làm việc tại Đại học Kyoto, đã chứng minh rằng khí có thể thâm nhập và di chuyển bên trong các khung tinh thể kim loại - hữu cơ mà ông chế tạo. Đây là bước đột phá lớn, cho thấy lần đầu tiên vật liệu rắn có thể tương tác động với môi trường xung quanh.

Cũng trong thời kỳ này, Omar M. Yaghi, nhà hóa học trẻ người Mỹ, đã phát triển phương pháp tổng hợp, tạo ra khung kim loại - hữu cơ ổn định, bền nhiệt và có cấu trúc được xác định chính xác. Ông đã đặt nền móng cho khái niệm “hóa học khung” (reticular chemistry) - một hướng tiếp cận cho phép liên kết có chủ đích các khối cấu trúc phân tử để hình thành nên những mạng tinh thể với thuộc tính được định sẵn.

Cấu trúc một vật liệu ổn định, MOF-5 - do Yaghi chế tạo - có không gian lập phương (Ảnh: The Royal Swedish Academy of Sciences).

Nhờ đóng góp của ba nhà khoa học, lĩnh vực nghiên cứu mới này đã phát triển thành một hướng đi độc lập trong hóa học vật liệu hiện đại, với hàng chục nghìn cấu trúc khung kim loại hữu cơ được tổng hợp và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao. 

Ứng dụng mở rộng của phát minh thế kỷ

Công trình nghiên cứu trên chứng minh rằng, nhờ đặc tính “rỗng nhưng bền” của mình, khung kim loại - hữu cơ có thể đảm nhận nhiều vai trò mà trước đây vật liệu rắn không thể làm được.

Thông cáo báo chí của Ủy ban Nobel cho biết, các khung kim loại - hữu cơ có thể được ứng dụng để hấp phụ và lưu trữ khí CO₂ trong cấu trúc rỗng, giúp giảm phát thải khí nhà kính. Một số khung kim loại - hữu cơ có thể thu hơi nước từ không khí khô, không khí sa mạc, chỉ bằng hơi ẩm tự nhiên trong không khí, biến năng lượng mặt trời thành nước sạch. Đây được đánh giá là công nghệ đặc biệt hữu ích cho những vùng khan hiếm tài nguyên nước.

Nhờ vào diện tích bề mặt và khả năng chọn lọc cao, MOFs còn được sử dụng để lọc tách các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, loại bỏ kim loại nặng hoặc hóa chất độc hại khỏi nước thải, tách các khí hiếm như helium hoặc hydrogen. Hiện nay, các nhà khoa học đang khai thác khung kim loại - hữu cơ để lưu trữ năng lượng, đặc biệt là hydrogen và methane - hai loại nhiên liệu sạch tiềm năng.

Các thành viên trong phòng nghiên cứu Yaghi (Ảnh: Đại học California, Berkeley).

Điều đáng chú ý là giáo sư Omar Yaghi cũng từng chiến thắng tại Giải thưởng VinFuture năm 2021, ở hạng mục “Innovators With Outstanding Achievements In Emerging Field” (nhà khoa học nghiên cứu các lĩnh vực mới).

Các nghiên cứu về MOFs cũng được đánh giá là một hướng phát triển tiềm năng cho Việt Nam, khi đất nước đang thúc đẩy chuyển đổi xanh và phát triển vật liệu tiên tiến phục vụ công nghiệp năng lượng, môi trường và y sinh.

Thông qua các chương trình như VinFuture InnovaConnect, các nhà khoa học Việt Nam có cơ hội kết nối trực tiếp với cộng đồng nghiên cứu quốc tế, mở rộng hợp tác trong các lĩnh vực mới nổi như MOFs, pin thế hệ mới hay thu giữ carbon.

Giáo sư Omar Yaghi tại Lễ trao giải VinFuture Prize mùa đầu tiên.

Trong buổi công bố giải thưởng Nobel 2025, Giáo sư Heiner Linke, Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, phát biểu:

"Các khung kim loại - hữu cơ có tiềm năng to lớn, mở ra những cơ hội chưa từng có để tạo ra các vật liệu được thiết kế với tính năng tùy chỉnh cho các mục đích mới".

Những vật liệu này hứa hẹn góp phần giải quyết các thách thức toàn cầu như ô nhiễm không khí, biến đổi khí hậu, thiếu nước sạch, và lưu trữ năng lượng tái tạo - những vấn đề mà nhân loại đang đối mặt trong thế kỷ 21.

Thông điệp từ Giải thưởng Nobel Hóa học 2025

Giải Nobel Hóa học 2025 không chỉ tôn vinh ba nhà khoa học kiệt xuất, mà còn gửi đi một thông điệp sâu sắc, một cách tư duy mới trong khoa học vật liệu: cái “rỗng” không chỉ còn là khoảng trống vô nghĩa, mà chứa đầy tiềm năng.

Từ góc nhìn khoa học, phát minh về khung kim loại - hữu cơ cho thấy sự chuyển dịch: từ việc khám phá vật liệu sang việc sáng tạo vật liệu mới. Con người không còn phụ thuộc hoàn toàn vào tự nhiên mà có thể thiết kế những vật liệu mới có cấu trúc và chức năng theo mục đích nhất định.

Tầm ảnh hưởng của khung kim loại - hữu cơ không dừng lại ở những ứng dụng hiện tại, mà còn mở đường cho sự phát triển của thế hệ vật liệu mới sau này, như: Khung hữu cơ cộng hóa trị (Covalent Organic Frameworks, COFs) và Khung zeolitic imidazolate (Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs) - với khả năng tương tự, thậm chí vượt trội hơn trong tương lai.

Nhiều loại cấu trúc MOF khác được tổng hợp, phục vụ những chức năng riêng (Ảnh: The Royal Swedish Academy of Sciences).

Từ những phòng thí nghiệm nhỏ, nơi các tinh thể đầu tiên được hình thành, đến tầm nhìn về các hệ thống vật liệu có thể lọc khí độc, “vắt nước” từ không khí và lưu trữ năng lượng, hành trình phát triển khung kim loại  hữu cơ là minh chứng cho tinh thần của khoa học hiện đại: sáng tạo, hợp tác liên ngành và hướng tới giá trị bền vững.

Nguồn: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/vat-lieu-rong-chia-khoa-giup-cac-nha-khoa-hoc-gianh-nobel-hoa-hoc-2025-20251009215157748.htm