Giải Nobel Hóa học 2025 đã được công bố, vinh danh ba nhà khoa học với những đóng góp tiên phong trong việc phát triển vật liệu khung kim loại-hữu cơ.

Vào ngày 8/10 (theo giờ Stockholm), Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công nhận ba nhà khoa học: Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar M. Yaghi, là những người đoạt Giải Nobel Hóa học năm 2025.

Ba nhà khoa học vinh danh là Susumu Kitagawa (Đại học Kyoto, Nhật Bản), Richard Robson (Đại học Melbourne, Úc) và Omar M. Yaghi (Đại học California, Berkeley, Mỹ). Họ được trao giải vì những đóng góp đột phá trong phát triển vật liệu khung kim loại-hữu cơ (MOF), mở ra một hướng đi mới trong hóa học vật liệu, năng lượng và môi trường.

Theo thông báo từ Ủy ban Nobel, ba nhà khoa học sẽ nhận khoản tiền thưởng trị giá 11 triệu kronor Thụy Điển. Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, ông Heiner Linke, đã nhấn mạnh trong buổi họp báo rằng MOF là một trong những phát minh quan trọng nhất của hóa học hiện đại, mở ra khả năng thiết kế vật liệu theo yêu cầu, điều mà trước đây chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng.

MOF là những cấu trúc tinh thể hình thành từ sự kết hợp giữa các ion kim loại (đóng vai trò là các '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 vàn lỗ rỗng siêu nhỏ, cho phép điều chỉnh chính xác khả năng hấp thụ, lưu trữ và phân tách các phân tử khí.

Nhờ vào tính linh hoạt vượt trội, MOF có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ việc thu gom nước sạch trong không khí sa mạc, lọc khí thải carbon dioxide, đến lưu trữ năng lượng hydro hay loại bỏ vi chất ô nhiễm trong nguồn nước. Chính vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu đã gọi MOF là 'vật liệu của thế kỷ 21'.

Từ lớp học giản dị đến những khám phá mở đường

Câu chuyện về giải thưởng năm nay bắt đầu một cách khiêm tốn từ 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 để làm mô hình nguyên tử, ông bất ngờ nhận ra rằng vị trí của các lỗ khoan chứa đựng một 'ngôn ngữ' của hóa học cấu trúc: chỉ cần sắp xếp đúng, mô hình sẽ tự động lắp ráp thành cấu trúc chính xác.

Từ đó, Robson đã có một 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 nguyên tắc đó để tạo ra những vật liệu hoàn toàn mới?

Sau hơn một thập kỷ suy ngẫm, vào cuối những năm 1980, Robson quyết định thực hiện ý tưởng của mình. Ông tiến hành thí nghiệm với các ion đồng tích điện dương và một phân tử có bốn nhánh hữu cơ.

Khi trộn hai thành phần này, kết quả không phải là hỗn hợp lộn xộn như nhiều đồng nghiệp dự đoán, mà chúng tự động sắp xếp thành một mạng tinh thể đồng đều, có cấu trúc tương tự kim cương nhưng rỗng ở bên trong.

Công trình này, được công bố vào năm 1989, đã đánh dấu sự ra đời của cấu trúc khung kim loại-hữu cơ đầu tiên trong lịch sử, mặc dù khi đó ít người nhận ra tiềm năng to lớn của nó.

Từ ý tưởng đến nền tảng khoa học

Sau khi Robson khởi xướng, ý tưởng về MOF đã được hai nhà khoa học khác ở hai châu lục khác nhau tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Tại Nhật Bản, Susumu Kitagawa, chịu ảnh hưởng sâu sắc từ triết lý Á Đông, đã kiên trì nghiên cứu mặc dù nhiều đồng nghiệp cho rằng hướng đi này là 'vô vọng'.

Năm 1992, Kitagawa đã tạo ra cấu trúc MOF đầu tiên có khả năng chứa các phân tử khách trong lỗ rỗng. Mặc dù vẫn còn thiếu ổn định, phát hiện này đã mở ra một con đường 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 giải phóng khí một cách thuận nghịch mà không làm hỏng cấu trúc. Đây là bước ngoặt quan trọng giúp MOF trở thành vật liệu thực tế, không chỉ là một khái niệm trong phòng thí nghiệm.

Kitagawa là người đầu tiên phân loại MOF thành ba thế hệ – từ những cấu trúc ban đầu không ổn định, đến những vật liệu linh hoạt có khả năng 'hít thở' như sinh thể. Nhờ vào 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 gian đó, tại Mỹ, Omar M. Yaghi đã đưa lĩnh vực MOF lên một tầm cao mới bằng cách đặt nền móng cho 'hóa học lưới' (reticular chemistry). Lớn lên trong hoàn cảnh thiếu thốn ở Jordan, Yaghi đã tìm thấy niềm đam mê trong việc tạo ra trật tự từ hỗn loạn, điều này được thể hiện rõ trong các công trình khoa học của ông.

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

Từ đây, ông đã tái cấu trúc toàn bộ lĩnh vực này, chứng minh rằng MOF không chỉ là một phát hiện hấp dẫn mà còn là một nền tảng khoa học có thể thiết kế, kiểm soát và tái tạo một cách có hệ thống.

Từ phòng thí nghiệm đến thế giới thực

Sau ba thập kỷ, những nghiên cứu của Robson, Kitagawa và Yaghi đã làm thay đổi cách con người hiểu về vật chất. Hàng chục nghìn loại MOF đã được chế tạo, phục vụ cho những mục tiêu đa dạng, từ bảo vệ môi trường, phát triển năng lượng đến y học.

Tại Mỹ, nhóm nghiên cứu của Yaghi đã phát triển một loại MOF có khả năng 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 một cách an toàn ở áp suất thường, mở ra tiềm năng mới cho xe chạy bằng pin nhiên liệu. MOF còn được ứng dụng trong việc hấp thụ các chất ô nhiễm hữu cơ, phân hủy các tác nhân độc hại, hay thậm chí vận chuyển thuốc trong cơ thể con người.

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

Giải Nobel Hóa học 2025 không chỉ vinh danh ba bộ óc kiệt xuất, mà còn khẳng định một bước ngoặt quan trọng trong hành trình sáng tạo của nhân loại, nơi trí tưởng tượng, triết lý và khoa học hòa quyện để tạo ra những cấu trúc chưa từng có trong tự nhiên.