admin
Giải Nobel Hóa học năm 2025 đã chính thức được công bố, vinh danh ba nhà khoa học xuất sắc với những đóng góp đột phá trong lĩnh vực vật liệu khung kim loại-hữu cơ (MOF). Thành tựu của họ không chỉ mở ra kỷ nguyên mới cho hóa học hiện đại mà còn mang lại những ứng dụng thực tiễn đa dạng và đầy tiềm năng. Bài viết này sẽ cùng bạn khám phá chi tiết hành trình nghiên cứu và ý nghĩa quan trọng của vật liệu MOF qua sự ghi nhận của giải thưởng danh giá.
Tổng quan về giải Nobel Hóa học năm 2025
Năm 2025, giải Nobel Hóa học tập trung tôn vinh ba nhà khoa học với công trình tiên phong về vật liệu khung kim loại-hữu cơ – một bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực vật liệu và hóa học. Vật liệu này là sự kết hợp độc đáo giữa các ion kim loại và các hợp chất hữu cơ, tạo nên cấu trúc tinh thể có khả năng tùy biến cao cùng diện tích bề mặt lớn. Việc trao giải không chỉ ghi nhận đóng góp trí tuệ to lớn mà còn thể hiện tiềm năng ứng dụng rộng rãi của MOF trong nhiều ngành công nghiệp.
Ba nhà khoa học được vinh danh và đóng góp đột phá
Ba tác giả của công trình nghiên cứu được ca ngợi là những người đi đầu trong việc phát triển và hiểu sâu sắc về tính chất cũng như ứng dụng của vật liệu khung kim loại-hữu cơ. Họ đã mở ra những khái niệm nền tảng, từ mô hình lý thuyết đến thực nghiệm, giúp vật liệu này trở thành một chủ đề nghiên cứu hàng đầu trên toàn thế giới. Các phát minh của họ không chỉ nâng cao khả năng lưu trữ, hấp thụ mà còn cải thiện tính ổn định và linh hoạt của MOF, tạo nền móng cho sự phát triển vật liệu thông minh.
Giá trị tiền thưởng và ý nghĩa của MOF trong hóa học hiện đại
Cùng với danh hiệu cao quý, phần thưởng tiền mặt dành cho ba nhà khoa học phản ánh tầm quan trọng của nghiên cứu MOF đối với cộng đồng khoa học và xã hội. Những phát hiện về vật liệu này đã thúc đẩy nhiều lĩnh vực khác nhau như môi trường, năng lượng và y sinh, chứng minh sức mạnh chuyển đổi từ nghiên cứu cơ bản sang ứng dụng công nghệ thực tiễn. Giá trị của MOF nằm ở khả năng cách mạng hóa phương pháp thu hồi tài nguyên, xử lý chất thải và sản xuất vật liệu mới thân thiện với môi trường.
Vật liệu khung kim loại-hữu cơ (MOF) – Định nghĩa và tầm quan trọng
Vật liệu khung kim loại-hữu cơ (MOF) là một loại hợp chất kết hợp giữa các ion kim loại và phân tử hữu cơ liên kết tạo thành mạng lưới tinh thể ba chiều đặc biệt. Sự liên kết này tạo nên cấu trúc có độ rỗng cực kỳ cao nhưng vẫn duy trì được tính ổn định, làm cho MOF trở thành một lớp vật liệu độc đáo với nhiều tính năng ưu việt. Từ việc cải thiện khả năng lưu trữ khí đến vai trò như bộ lọc hay chất xúc tác, MOF ngày càng chứng minh tầm quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại.
Cấu trúc tinh thể và nguyên lý hình thành MOF
Cấu trúc tinh thể của MOF được xây dựng dựa trên nguyên lý phối hợp giữa các ion kim loại với các ligands hữu cơ tạo thành mạng lưới đa chiều. Sự sắp xếp này tạo ra các khoảng không gian rỗng bên trong cấu trúc, cho phép chứa và vận chuyển các phân tử khách một cách hiệu quả. Nguyên lý hóa học đặc biệt này giúp MOF có thể thiết kế tùy chỉnh để đạt được các đặc tính phù hợp với mục tiêu sử dụng cụ thể, từ đó mở rộng phạm vi ứng dụng khoa học.
Tính linh hoạt và ứng dụng đa dạng của MOF trong đời sống
Nhờ cấu trúc có thể thay đổi dễ dàng bằng cách lựa chọn từng thành phần phối trí hay ligand hữu cơ khác nhau, MOF sở hữu tính linh hoạt vượt trội so với nhiều vật liệu truyền thống. Điều này giúp vật liệu thích nghi tốt với nhiều điều kiện môi trường khác nhau và phục vụ các mục đích đa dạng như thu giữ khí độc hại, lưu trữ năng lượng sạch hay hỗ trợ quá trình vận chuyển thuốc trong y tế. Chính nhờ vậy mà MOF đang dần trở thành nền tảng cho các giải pháp công nghệ xanh bền vững.
Hành trình nghiên cứu và phát triển MOF của ba nhà khoa học
Quá trình khám phá và hoàn thiện vật liệu khung kim loại-hữu cơ là câu chuyện kéo dài hàng thập kỷ với sự tham gia tích cực của ba nhà khoa học nổi bật, mỗi người góp phần xác lập nên những mốc son quan trọng. Khởi đầu từ ý tưởng đơn giản nhưng sáng tạo hôm nay đã trở thành cột mốc đánh dấu bước ngoặt lớn trong lĩnh vực hóa học vật liệu. Sự kiên trì cùng tư duy đổi mới đã giúp họ đưa MOF từ phòng thí nghiệm đến gần hơn với các ứng dụng thực tiễn trên quy mô toàn cầu.
Khởi đầu ý tưởng từ Richard Robson và sự ra đời của MOF đầu tiên
Richard Robson được xem là người đặt nền móng đầu tiên cho nghiên cứu về MOF bằng việc đề xuất mô hình phân tử gắn kết theo cấu trúc mạng vào năm 1974. Ông nhận thấy rằng việc liên kết các ion kim loại theo hướng nhất định có thể tạo ra hệ tinh thể rỗng với tính ổn định cao. Ý tưởng này đã mở đường cho nhiều nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển thêm về mặt cấu trúc cũng như chức năng cho đến khi đạt được thành tựu đáng kể vào cuối thập niên 1980.
Susumu Kitagawa và những bước tiến quan trọng trong tính ổn định và linh hoạt
Giai đoạn tiếp theo thuộc về Susumu Kitagawa khi ông tập trung khai thác sâu khả năng chứa phân tử khách cũng như sự thay đổi cấu trúc của MOF dưới các điều kiện môi trường khác nhau. Năm 1992, Kitagawa đã chứng minh rằng vật liệu này không chỉ có cấu trúc ổn định mà còn có thể ‘thở’ – tức là hấp thụ rồi nhả phân tử nhờ sự điều chỉnh linh hoạt bên trong mạng tinh thể. Phát hiện này đã nâng tầm hiểu biết về tính chất động học phức tạp vốn chưa từng thấy ở các loại vật liệu trước đó.
Omar M. Yaghi – Người đặt nền móng cho hóa học lưới và MOF hiện đại
Omar M. Yaghi được xem là kiến trúc sư chủ chốt đưa hóa học khung kim loại-hữu cơ trở thành một lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu với hệ thống lý thuyết hoàn chỉnh vào giữa những năm 1990. Ông đã giới thiệu khái niệm “khung kim loại-hữu cơ” lần đầu tiên cùng nhiều mẫu vật liệu mới có độ ổn định vượt trội như MOF-5 vào năm 1999. Công trình của Yaghi giúp thiết lập nền tảng để xây dựng đa dạng thế hệ MOF phục vụ nhu cầu khoa học kỹ thuật hiện đại.
Ý tưởng từ lớp học giản dị đến khám phá mở đường
Trong kim cương, mỗi nguyên tử cacbon kết nối với bốn nguyên tử khác theo hình kim tự tháp.
Chặng đường bắt nguồn từ những bài giảng đơn giản nhưng đầy cảm hứng dẫn đến những khám phá mang tính đột phá. Năm 1974, Richard Robson sử dụng mô hình phân tử nhằm minh họa cách thức xây dựng mạng tinh thể, tạo tiền đề cho sự ra đời của MOF đầu tiên vào năm 1989. Đây là bước đi then chốt để thử nghiệm xây dựng các mạng tinh thể rỗng, mở rộng khả năng thiết kế vật liệu trên nền tảng lý thuyết chắc chắn.
Câu chuyện Richard Robson với mô hình phân tử năm 1974
Năm 1974, Robson giới thiệu ý tưởng sử dụng mô hình phân tử đơn giản để mô phỏng cách thức liên kết giữa các nguyên tử kim loại với ligand hữu cơ nhằm tạo thành mạng lưới tinh thể có khe rỗng nội bộ. Mô hình này giúp trực quan hóa cấu trúc phức tạp nhưng hiệu quả trong việc dự đoán tính chất cũng như hiệu suất hấp thu phân tử bên trong mạng tinh thể sau này. Chính từ đây mà cộng đồng khoa học bắt đầu chú ý tới tiềm năng chưa từng có ở lớp vật liệu này.
Thí nghiệm tạo mạng tinh thể rỗng đầu tiên năm 1989
Sau nhiều năm chuẩn bị về mặt lý luận cùng kỹ thuật tổng hợp mới mẻ, vào năm 1989 nhóm nghiên cứu đã thực hiện thành công thí nghiệm chế tạo mạng tinh thể rỗng đầu tiên dựa trên những nguyên tắc do Robson đề xuất trước đó. Thành quả này đánh dấu bước ngoặt khi chứng minh được rằng lý thuyết hoàn toàn áp dụng thực tiễn được vào việc phát triển vật liệu mới có cấu trúc tổ ong bên trong siêu nhỏ nhưng rất bền vững về mặt hóa học.
Từ ý tưởng đến nền tảng khoa học vững chắc
“Nghiên cứu tiếp nối bởi Susumu Kitagawa làm rõ thêm vai trò chứa phân tử khách cũng như đặc điểm động lực học thú vị của vật liệu khung kim loại-hữu cơ suốt những năm đầu thập niên 1990. Phát hiện cho thấy khả năng hấp thụ và nhả khí hoàn toàn thuận nghịch đồng thời làm tăng độ chịu lực khiến MOF trở nên đáng tin cậy hơn với ứng dụng ngoài phòng lab.
Trong giai đoạn này cũng bắt đầu khái niệm phân chia MOF thành ba thế hệ khác nhau dựa trên tính năng cải tiến cùng mức độ“hít thở” – khả năng thay đổi cấu trúc theo kích thước phân tử khách – qua đó định hướng phát triển sản phẩm đáp ứng nhu cầu đa dạng hơn.”
Nghiên cứu của Susumu Kitagawa về khả năng chứa phân tử khách năm 1992
“Kitagawa tập trung làm sáng tỏ quá trình tương tác giữa mạng lưới tinh thể MOF với các phân tử ngoại lai gọi là ‘phân tử khách’. Ông chứng minh rằng tại nhiệt độ phòng hoặc điều kiện môi trường khác nhau, cấu trúc có thể thay đổi nhẹ để dung nạp hoặc giải phóng những phân tử này mà không xảy ra biến dạng vĩnh viễn.”, từ đó mở rộng phạm vi ứng dụng vào lưu giữ khí hoặc điều trị dược phẩm nhạy cảm.”
Phát hiện vật liệu ba chiều hấp thụ, nhả khí thuận nghịch năm 1997
“Một bước tiến nữa được ghi nhận khi nhóm nghiên cứu phát triển mẫu MOF ba chiều đảm bảo khả năng hấp phụ khí hoàn toàn có thể quay lại trạng thái ban đầu sau khi nhả khí ra ngoài; điều này trái ngược hẳn với nhiều vật liệu truyền thống dễ bị thoái hóa sau chu kỳ sử dụng.”, yếu tố này làm tăng tuổi thọ cũng như mức độ tin cậy khi dùng trong công nghệ xử lý khí hoặc lọc môi trường.”
Phân loại ba thế hệ MOF và khái niệm vật liệu “hít thở”
“Khái niệm ‘vật liệu hít thở’ bắt nguồn từ khả năng thay đổi kích thước porosity hoặc khoảng cách liên kết bên trong khung tinh thể theo nhu cầu vận hành thực tế.”, sự linh hoạt này giúp nâng cao hiệu quả hút giữ hoặc phóng thích phân tử chính xác hơn so với các thế hệ trước đó.
Việc phân chia thế hệ dựa trên mức độ cải tiến về độ ổn định hóa học, diện tích bề mặt cũng như khả năng tùy chỉnh mở rộng giới hạn ứng dụng tại nhiều ngành nghề chuyên sâu hơn nữa.”
“Kiến trúc sư” của thế hệ MOF hiện đại – Omar M. Yaghi
Năm 1999, Yaghi tổng hợp vật liệu MOF-5 có độ bền cao với các khoang hình khối.
Omar M. Yaghi chính là nhân tố quyết định đưa hóa học khung kim loại-hữu cơ lên một tầm cao mới bằng cách thiết lập nền tảng lý thuyết đầy đủ cũng như giới thiệu những ví dụ tiêu biểu mang tính chuẩn mực cho cả cộng đồng khoa học quốc tế quan tâm đến lĩnh vực này.
Ông đặt tên chính thức “khung kim loại-hữu cơ” trong bài báo xuất bản trên Nature năm 1995 đồng thời tiếp tục sáng chế ra hàng loạt vật liệu mới như MOF-5 nổi tiếng nhờ độ bền vượt trội cùng diện tích bề mặt cực lớn phục vụ lưu trữ khí hydro hay CO₂ an toàn hơn bao giờ hết.
Khái niệm “khung kim loại-hữu cơ” công bố năm 1995 trên tạp chí Nature
“Các bài báo công bố năm 1995 đánh dấu mốc lịch sử khi Yaghi chính thức giới thiệu cụm từ ‘khung kim loại-hữu cơ’ nhằm mô tả rõ nét hơn về cấu trúc phối hợp mới mang yếu tố hữu cơ xen kẽ cùng các ion kim loại tạo ra mạng lưới tinh thể đặc biệt”, góp phần lan rộng nhận thức cũng như tập trung nguồn lực vào hướng đi đầy triển vọng này trong ngành hóa học hiện đại.
Sáng tạo MOF-5 với độ ổn định cao và diện tích bề mặt đặc biệt năm 1999
Năm 1999 đánh dấu bước ngoặt khi Omar M. Yaghi chế tạo thành công mẫu vật liệu mang tên MOF-5 – sở hữu cấu trúc khoang hình khối ổn định cùng diện tích bề mặt lớn chưa từng thấy ở thời điểm đó.
Sự kiên trì tối ưu phương pháp tổng hợp khiến mẫu thử đáp ứng tiêu chuẩn ứng dụng công nghiệp như thu giữ khí độc hay lưu trữ nhiên liệu sạch hiệu quả.
Công trình này củng cố vị trí hàng đầu của Yaghi như kiến trúc sư chủ lực dẫn dắt dòng phát triển mới cho ngành hóa học lưới.
Năm 1999, Yaghi tổng hợp vật liệu MOF-5 có độ bền cao với các khoang hình khối.
Định hình lĩnh vực hóa học lưới như một nền tảng thiết kế vật liệu
Omar M. Yaghi đã không ngừng mở rộng phạm vi nghiên cứu để thiết kế đa dạng hệ thống khung khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu chuyên biệt từ nhiều ngành nghề.
Sự sáng tạo ấy biến hóa học lưới trở thành phương pháp luận trọng tâm để sáng chế ra những thế hệ mới của vật liệu thông minh dùng cho môi trường, y tế hay công nghiệp khai khoáng,
và đem lại bước đột phá căn bản giúp cộng đồng tiếp cận nhanh hơn tới giải pháp hiệu quả bền vững.
Ứng dụng thực tiễn của MOF trong cuộc sống hiện đại
Với đặc tính nổi bật riêng biệt, vật liệu khung kim loại-hữu cơ đang dần chứng minh vai trò vô cùng to lớn đối với ngành công nghiệp xanh và cải thiện đời sống con người hiện nay.
Sự thích nghi cao cấp đã giúp nó tồn tại hiệu quả ở nhiều môi trường khác nhau nhằm phục vụ mục tiêu phát triển bền vững toàn cầu như xử lý nước sạch hay giảm thiểu ô nhiễm không khí.
Ngoài ra còn góp phần thúc đẩy tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng tái tạo đáng tin cậy.
Công nghệ thu nước sạch từ không khí khô dựa trên MOF tại Mỹ
Một trong những ứng dụng nổi bật nhất gần đây là công nghệ khai thác nước sạch trực tiếp từ không khí rất khô hạn tại Mỹ dựa trên khả năng hấp phụ nước ưu việt của MOF.
Thiết bị sử dụng lớp màng phủ bằng nguyên liệu tổng hợp có chức năng giữ nước rồi chuyển đổi chúng thành nguồn cung cấp nước uống an toàn,
mở ra giải pháp chống hạn hiệu quả ngay cả ở vùng sa mạc hoặc khu vực thiếu tài nguyên nước ngọt lâu dài.
Thu giữ khí CO₂ quy mô công nghiệp với vật liệu CALF-20 ở Canada
Tại Canada, sự phát triển CALF-20 – một dạng MOF đặc biệt – giúp xử lý khí carbon dioxide quy mô lớn nhằm giảm thiểu tác động xấu lên biến đổi khí hậu.
Vật liệu thông minh này sở hữu ưu điểm hấp phụ chọn lọc cao nhất từng được ghi nhận,
tạo thuận lợi cho quá trình thu hồi CO₂ trực tiếp từ nguồn phát thải công nghiệp trước khi đưa vào tái chế hoặc lưu giữ lâu dài.
Lưu trữ năng lượng hydro an toàn bằng vật liệu NU-1501
NU-1501 là ví dụ điển hình cho khả năng lưu giữ hydro an toàn bằng hệ thống mạng lưới tinh thể cực kỳ kín đáo nhưng lại rất nhẹ và dễ dàng vận hành.
Điều này góp phần thúc đẩy chiến lược sử dụng nhiên liệu sạch thay thế dầu mỏ truyền thống,
vừa bảo vệ môi trường vừa đảm bảo hiệu suất phục vụ nhu cầu di chuyển xe hơi hoặc thiết bị điện tử.
Vai trò trong xử lý ô nhiễm, phân hủy độc tố và vận chuyển thuốc
Không chỉ dừng lại ở lĩnh vực môi trường hay năng lượng,
vật liệu khung kim loại-hữu cơ còn đang là chìa khóa quan trọng hỗ trợ các phương pháp xử lý ô nhiễm bằng cách hấp phụ hoặc xúc tác phân hủy độc tố nguy hiểm.
Ngoài ra khả năng vận chuyển thuốc chính xác tới vị trí cần thiết giúp nâng cao hiệu quả điều trị,
cải thiện sức khỏe cộng đồng rõ nét qua từng nghiên cứu thực nghiệm.
