Giải Nobel Hóa học năm 2025 được công bố: Ba nhà khoa học chiến thắng vì vật liệu khung kim loại-hữu cơ tiên phong

Ba nhà khoa học: Susumu Kitagawa (Đại học Kyoto, Nhật Bản), Richard Robson (Đại học Melbourne, Úc) và Omar M. Yaghi (Đại học California, Berkeley, Mỹ) được vinh danh nhờ những đóng góp mang tính đột phá trong việc phát triển vật liệu khung kim loại-hữu cơ (MOF – Metal-Organic Frameworks), một lĩnh vực đang mở ra hướng đi mới cho hóa học vật liệu, năng lượng và môi trường.

Theo công bố của Ủy ban Nobel, ba nhà khoa học sẽ chia sẻ khoản tiền thưởng trị giá 11 triệu kronor Thụy Điển. Trong buổi họp báo, Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, ông Heiner Linke nhấn mạnh rằng MOF là một trong những phát minh có tầm ảnh hưởng sâu rộng nhất của hóa học hiện đại, vì nó "mở ra khả năng thiết kế vật liệu theo yêu cầu - một điều trước đây tưởng như chỉ có trong tưởng tượng".

MOF là những cấu trúc tinh thể được hình thành từ sự kết hợp giữa các ion kim loại (đóng vai trò như "nút giao" hoặc "góc nối") và các phân tử hữu cơ (đóng vai trò như "thanh nối" hoặc "trụ chống"). Cấu trúc này tạo ra vô số lỗ rỗng siêu nhỏ, cho phép các nhà khoa học điều chỉnh chính xác cách vật liệu hấp thụ, lưu trữ hay phân tách các phân tử khí. 

Nhờ khả năng linh hoạt đó, MOF có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ thu gom nước sạch từ không khí sa mạc, lọc khí thải carbon dioxide, cho đến lưu trữ năng lượng hydro hoặc lọc bỏ vi chất ô nhiễm trong nguồn nước. Chính vì thế, nhiều nhà nghiên cứu đã gọi MOF là "vật liệu của thế kỷ 21".

Từ lớp học giản dị đến khám phá mở đường

Câu chuyện của giải thưởng năm nay bắt đầu một cách rất khiêm tốn vào năm 1974, khi Richard Robson, lúc ấy là giảng viên tại Đại học Melbourne đang chuẩn bị bài giảng về mô hình phân tử cho sinh viên. 

Khi nhận lại các quả bóng gỗ được khoan lỗ làm mô hình nguyên tử, ông bất chợt nhận ra rằng vị trí của các lỗ khoan chứa đựng toàn bộ "ngôn ngữ" của hóa học cấu trúc: chỉ cần đúng vị trí, toàn bộ mô hình sẽ tự động lắp thành một cấu trúc chính xác. 

Từ đó, Robson nảy ra ý tưởng táo bạo: nếu các nguyên tử có thể tự liên kết thành cấu trúc bền vững, liệu các phân tử cũng có thể "tự lắp ráp" theo cùng nguyên tắc đó để tạo nên những vật liệu hoàn toàn mới hay không?

Sau hơn một thập kỷ trăn trở, đến cuối những năm 1980, Robson quyết định biến ý tưởng thành hiện thực. Ông thử nghiệm với các ion đồng tích điện dương và một phân tử có bốn nhánh hữu cơ. 

Khi hai thành phần này được trộn lẫn, chúng không tạo ra hỗn hợp hỗn loạn như nhiều đồng nghiệp dự đoán, mà tự sắp xếp thành một mạng tinh thể đều đặn, có cấu trúc gần giống kim cương nhưng rỗng bên trong. 

Công trình được công bố năm 1989 đã đánh dấu sự ra đời của cấu trúc khung kim loại-hữu cơ đầu tiên trong lịch sử, dù khi ấy ít ai nhận ra tiềm năng khổng lồ của nó.

Từ ý tưởng đến nền tảng khoa học

Sau Robson, ý tưởng về MOF được hai nhà khoa học khác ở hai châu lục khác nhau tiếp tục phát triển và hoàn thiện. Ở Nhật Bản, Susumu Kitagawa, người chịu ảnh hưởng sâu sắc từ triết học Á Đông đã kiên trì nghiên cứu trong khi nhiều đồng nghiệp xem hướng đi này là "vô vọng".

Năm 1992, ông tạo ra cấu trúc MOF đầu tiên có khả năng chứa các phân tử khách trong lỗ rỗng. Dù còn thiếu ổn định, phát hiện này đã mở ra một hướng tư duy hoàn toàn mới. Đến năm 1997, Kitagawa tiếp tục công bố một phát hiện quan trọng: một loại vật liệu ba chiều có khả năng hấp thụ và nhả khí một cách thuận nghịch mà không phá vỡ cấu trúc. Đây là bước ngoặt giúp MOF trở thành vật liệu có ứng dụng thực tế, chứ không chỉ là khái niệm trong phòng thí nghiệm.

Kitagawa cũng là người đầu tiên phân loại MOF thành ba thế hệ – từ những cấu trúc không ổn định ban đầu, đến những vật liệu linh hoạt có khả năng "hít thở" như sinh thể. Nhờ tư duy này, ông đã biến MOF thành vật liệu có thể “phản ứng” với môi trường xung quanh, một khái niệm mang tính cách mạng trong hóa học vật liệu.

"Kiến trúc sư" của thế hệ MOF hiện đại

Cùng thời điểm đó, ở Mỹ, Omar M. Yaghi đã đưa lĩnh vực này lên tầm cao mới bằng việc đặt nền móng cho "hóa học lưới" (reticular chemistry). Lớn lên trong điều kiện thiếu thốn ở Jordan, Yaghi sớm tìm thấy niềm đam mê trong việc tạo ra trật tự từ hỗn loạn và điều đó phản ánh rõ trong công trình khoa học của ông.

Năm 1995, Yaghi công bố khái niệm "khung kim loại-hữu cơ" trên tạp chí Nature. Đến năm 1999, ông giới thiệu MOF-5, loại vật liệu có độ ổn định cao đến mức có thể chịu được nhiệt độ 300°C và có diện tích bề mặt nội tại tương đương một sân bóng đá chỉ trong vài gam bột. 

Từ đây, ông định hình lại toàn bộ lĩnh vực bằng cách chứng minh rằng MOF không chỉ là một phát hiện thú vị, mà là một nền tảng khoa học có thể thiết kế, kiểm soát và tái tạo có hệ thống.

Từ phòng thí nghiệm đến thế giới thực

Sau ba thập kỷ, những ý tưởng của Robson, Kitagawa và Yaghi đã thay đổi cách con người hiểu về vật chất. Hàng chục nghìn loại MOF đã được tạo ra, phục vụ các mục tiêu khác nhau, từ môi trường, năng lượng cho đến y học.

Tại Mỹ, nhóm của Yaghi đã phát triển loại MOF có thể hút hơi nước từ không khí khô và tạo ra nước uống nhờ ánh sáng mặt trời. Ở Canada, vật liệu CALF-20 đang được thử nghiệm ở quy mô công nghiệp để thu giữ khí CO₂ tại các nhà máy. 

Trong lĩnh vực năng lượng, vật liệu NU-1501 có thể lưu trữ hydro an toàn ở áp suất thường, mở ra tiềm năng mới cho xe chạy pin nhiên liệu. MOF cũng được dùng để hấp thụ các chất ô nhiễm hữu cơ, phân hủy tác nhân độc hại, hay thậm chí vận chuyển thuốc trong cơ thể con người.

Dù vẫn đối mặt với thách thức về chi phí và quy mô sản xuất, MOF được xem là một trong những trụ cột của tương lai bền vững. Ba nhà khoa học được vinh danh năm nay không chỉ khai sinh ra một loại vật liệu mới, mà còn mở ra cách tiếp cận hoàn toàn khác cho khoa học vật liệu: thay vì chỉ khám phá thiên nhiên, con người có thể thiết kế nên vật chất theo nhu cầu của mình.

Giải Nobel Hóa học 2025 vì thế không chỉ tôn vinh ba bộ óc kiệt xuất, mà còn đánh dấu một chương mới trong hành trình sáng tạo của nhân loại, nơi trí tưởng tượng, triết học và khoa học giao hòa để kiến tạo nên những cấu trúc chưa từng tồn tại trong tự nhiên.