Ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học nhờ nghiên cứu về khung kim loại hữu cơ

Các nhà khoa học Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar Yaghi vào thứ Tư (ngày 8/10) đã cùng nhau giành giải Nobel Hóa học 2025. Họ được vinh danh nhờ nghiên cứu tiên phong về khung kim loại hữu cơ (Metal-Organic Frameworks, MOFs), phát triển nên một loại vật liệu được mệnh danh là “túi xách của Hermione” (Hermione’s handbag – theo loạt phim Harry Potter). Loại vật liệu này có thể lưu trữ dung lượng khổng lồ trong thể tích nhỏ gọn, hứa hẹn giúp nhân loại đối mặt với các thách thức lớn như lưu trữ năng lượng, kiểm soát ô nhiễm và thiếu hụt nước ngọt.

Theo báo Asahi Shimbun của Nhật Bản, việc nhà khoa học Susumu Kitagawa đến từ Đại học Kyoto nhận giải lần này đã nâng tổng số người Nhật đoạt giải Nobel Hóa học lên 9 người. Lần cuối cùng người Nhật nhận giải Nobel Hóa học là năm 2019, khi ông Akira Yoshino được vinh danh. Giải Nobel Y sinh năm nay được trao ngày 6/10 cũng về tay giáo sư danh dự Shimon Sakaguchi của Đại học Osaka, Nhật Bản.

Cấu trúc phân tử nhỏ gọn, nhưng chứa đựng bí mật

MOFs là một loại cấu trúc tinh thể siêu xốp, được tạo thành từ các nguyên tử kim loại và các phân tử hữu cơ đan xen vào nhau, bên trong có không gian rộng lớn cho phép các loại khí cũng như các chất hóa học khác đi qua.

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển cho biết, những vật liệu này sở hữu bề mặt tiếp xúc đáng kinh ngạc — chỉ một khối chất xốp nhỏ bằng viên đường có thể có tổng diện tích bề mặt tương đương một sân bóng đá lớn. Thành viên Ủy ban Nobel Hóa học, Olof Ramstrom, mô tả sống động: “Một lượng nhỏ những vật liệu này gần như có thể giống chiếc túi xách của Hermione trong Harry Potter – có thể lưu trữ một lượng khí lớn trong thể tích rất nhỏ.”

Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, Heiner Linke, so sánh khoang bên trong đồ sộ của MOFs như “phòng trong khách sạn”, nơi các phân tử khách thể có thể ra vào.

Ứng dụng: từ tài nguyên nước đến năng lượng sạch

Kể từ khi công trình nghiên cứu của ba nhà khoa học được công bố, các nhà hóa học trên thế giới đã phát triển hàng vạn loại vật liệu MOF khác nhau.

Hiện MOF đã được chứng minh có thể dùng để:

• Quản lý môi trường: tách nước từ không khí sa mạc, thu giữ CO₂, lưu trữ khí độc, tách PFAS độc hại (hay còn gọi là “hóa chất vĩnh cửu”) khỏi nước và phân giải dư lượng thuốc trong môi trường.
• Năng lượng sạch: lưu trữ hydro, rất quan trọng cho phát triển năng lượng sạch trong tương lai.

Những cấu trúc xốp này được xem là nền tảng công nghệ quan trọng trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường, có thể trở thành công cụ chủ chốt giúp nhân loại giải quyết các thách thức về năng lượng và bảo vệ môi trường.

Giáo sư Susumu Kitagawa của Đại học Kyoto (Nhật Bản) – một trong những chủ nhân giải thưởng – cho biết trong buổi họp báo rằng ông mơ ước thu giữ và tách các nguyên tố từ không khí (như CO₂ và nước), rồi dùng năng lượng tái tạo chuyển hóa chúng thành vật liệu hữu ích. Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển khẳng định, các nhà hóa học đã tạo ra được hàng vạn loại MOFs khác nhau, trong đó có những loại có thể góp phần giải quyết các thách thức lớn nhất mà loài người phải đối mặt.

Nguồn cảm hứng bắt đầu từ năm 1989: từ cấu trúc không ổn định đến bước đột phá vững chắc

Ý tưởng về MOFs do giáo sư Robson, người Anh, giảng dạy tại Đại học Melbourne (Úc) lần đầu tiên đề xuất, nhưng kết cấu thuở đầu còn chưa ổn định. Sau này, giáo sư Omar Yaghi (gốc Jordan, Đại học Berkeley – Mỹ) đã sử dụng phương pháp tinh thể học chặt chẽ để thiết kế và tạo nên khung kim loại hữu cơ (MOF-5) đầu tiên bền vững, thắp sáng cho sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực này.

Nghiên cứu này có thể truy nguyên về năm 1989, khi Robson lần đầu thử nghiệm phương pháp mới dùng đặc tính của nguyên tử, kết hợp ion đồng mang điện dương với phân tử hữu cơ bốn nhánh, tạo nên cấu trúc tinh thể như kim cương, bên trong có vô số vi lỗ. Dù cấu trúc ban đầu không ổn định, dễ bị phá vỡ, nhưng ông Kitagawa và ông Yaghi đã tiếp tục có những đột phá trong thập niên 1990 và đầu những năm 2000.

Ông Kitagawa chứng minh được khí có thể tự do đi qua cấu trúc này, đồng thời dự đoán MOF có thể có đặc tính mềm dẻo; ông Yaghi lại thành công chế tạo MOF ổn định, có thể điều chỉnh đặc tính thông qua “thiết kế có mục đích”, qua đó đặt nền móng vững chắc cho lĩnh vực này.

Vật liệu có thể thay đổi thế giới, hứa hẹn hỗ trợ phát triển bền vững môi trường

Giải Nobel Hóa học là giải thưởng thứ ba được trao năm nay, các chủ nhân sẽ chia đều 11 triệu krona Thụy Điển (tương đương 1,2 triệu USD). Theo truyền thống, giải Nobel tiếp theo – giải Văn học – sẽ công bố vào thứ Năm.

Bản thân ông Nobel là một nhà hóa học, tài sản mà ông tích lũy được trong ngành này đã giúp ông phát minh ra thuốc nổ vào thế kỷ 19. Năm ngoái, giải Nobel Hóa học đã vinh danh các nhà khoa học David Baker, John Jumper (Mỹ) và Demis Hassabis (Anh) với thành tựu trong giải mã và thiết kế cấu trúc protein mới.