Giải Nobel Hóa học 2025: Những Kiến trúc sư của Không gian Phân tử

Vào ngày 8 tháng 10 năm 2025, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã vinh danh ba nhà khoa học xuất sắc: Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar M. Yaghi, với Giải Nobel Hóa học. Giải thưởng cao quý này được trao tặng cho những đóng góp đột phá của họ trong việc phát triển các khung kim loại-hữu cơ (MOF), một thành tựu đánh dấu sự ra đời của một lĩnh vực hoàn toàn mới trong kiến trúc phân tử. Phát kiến này đã mở ra những chân trời mới trong việc tổng hợp và thiết kế các vật liệu có cấu trúc xốp, sở hữu những đặc tính lý hóa độc đáo.

Tổng giá trị giải thưởng là 11 triệu krona Thụy Điển sẽ được chia đều cho cả ba nhà khoa học đoạt giải. Trọng tâm của cuộc cách mạng khoa học này nằm ở khả năng tạo ra các cấu trúc tinh thể xốp, nơi các ion kim loại đóng vai trò là các nút giao, được liên kết với nhau bằng các phân tử hữu cơ dài. Kết quả là hình thành nên những vật liệu có các khoang rỗng bên trong khổng lồ, cho phép các chất khí và hợp chất hóa học khác di chuyển tự do.

Những cấu trúc này, về cơ bản, là những công trình kiến trúc phân tử với những không gian lớn được thiết kế có chủ đích. Kiến trúc này cho phép các nhà khoa học kiểm soát các đặc tính của vật liệu ở cấp độ phân tử, khiến chúng trở nên vô giá trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, Heiner Linke, đã ví chúng một cách sinh động như chiếc túi thần kỳ của Hermione trong loạt truyện Harry Potter – trông nhỏ bé bên ngoài nhưng lại chứa đựng được vô vàn thứ bên trong.

Hành trình dẫn đến phát hiện này là một quá trình nhiều giai đoạn. Richard Robson, đến từ Đại học Melbourne, đã đặt nền móng ý tưởng vào năm 1989 khi ông kết hợp các ion đồng với các phân tử hữu cơ, tạo ra một tinh thể xốp nhưng chưa ổn định. Sau đó, trong khoảng thời gian từ năm 1992 đến 2003, Susumu Kitagawa thuộc Đại học Kyoto đã chứng minh tính linh hoạt của MOF và khả năng cho phép các chất khí đi qua chúng, qua đó mở rộng đáng kể tiềm năng ứng dụng thực tiễn. Cuối cùng, Omar M. Yaghi từ Đại học California, Berkeley, đã củng cố lĩnh vực này bằng cách phát triển các cấu trúc cực kỳ bền vững và giới thiệu thuật ngữ “hóa học mạng lưới” (reticular chemistry) để mô tả phương pháp tiếp cận theo mô-đun trong thiết kế MOF.

Đáng chú ý, vào năm 1999, Yaghi đã giới thiệu MOF-5, một vật liệu có độ xốp siêu cao, có thể chịu được nhiệt độ lên tới 300°C mà không bị phân hủy, trở thành công nghệ nền tảng then chốt. Sự hợp tác của bộ ba này đã cho phép các nhà hóa học thiết kế được hàng chục nghìn loại MOF khác nhau.

Tiềm năng ứng dụng của MOF là vô cùng to lớn, hoàn toàn phù hợp với di nguyện của Alfred Nobel về việc mang lại lợi ích lớn nhất cho nhân loại. Hiện tại, các vật liệu này đang được sử dụng để thu thập nước từ không khí sa mạc, hấp thụ carbon dioxide – điều cực kỳ quan trọng đối với các mục tiêu khí hậu, làm sạch nước khỏi các chất ô nhiễm, bao gồm cả việc phân tách PFAS, và trong y sinh học để tạo ra các hệ thống phân phối thuốc có mục tiêu. Hơn nữa, MOF còn được ứng dụng hiệu quả trong xúc tác các phản ứng hóa học, lưu trữ và vận chuyển hydro, cũng như trong việc chế tạo các cảm biến phát hiện chất độc hại.

Phân khúc lưu trữ khí hiện đang chiếm ưu thế trên thị trường, chiếm khoảng 40% tổng giá trị vào năm 2025, điều này nhấn mạnh vai trò của MOF trong việc đảm bảo an ninh năng lượng, đặc biệt là trong việc lưu trữ hydro. Thị trường MOF đang tăng trưởng nhanh chóng: giá trị thị trường vào năm 2024 ước tính khoảng 0,51 tỷ đô la Mỹ, và dự kiến sẽ tăng lên 1,70 tỷ đô la Mỹ vào năm 2030, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 22,1%. Hiện tại, các MOF gốc kẽm đang chiếm thị phần đáng kể, khoảng 27,8% trong năm 2025, nhờ tính linh hoạt cao của chúng. Sự tăng trưởng này được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng đối với các công nghệ thân thiện với môi trường và sự phát triển của các ứng dụng công nghiệp mới cho MOF.

Dù nhận được sự công nhận cao nhất, Giáo sư Robson vẫn trở lại giảng dạy ngay ngày hôm sau thông báo, dẫn dắt lớp học cho sinh viên năm nhất. Điều này là lời nhắc nhở sâu sắc về mối liên hệ không thể tách rời giữa nghiên cứu cơ bản và việc truyền đạt kiến thức cho thế hệ kế thừa. Những thành tựu trong lĩnh vực khoa học vật liệu này mở ra những chân trời mới cho các nhà hóa học và kỹ sư trong việc tạo ra các vật liệu với những đặc tính được xác định trước. Nỗ lực chung của ba nhà khoa học không chỉ thúc đẩy ngành hóa học tiến lên mà còn truyền cảm hứng cho thế hệ các nhà nghiên cứu tiếp theo theo đuổi sự đổi mới liên ngành.