Giải Nobel Hóa học năm 2025 đã được Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao cho ba nhà khoa học xuất sắc: Susumu Kitagawa từ Nhật Bản, Richard Robson từ Australia và Omar M. Yaghi từ Mỹ. Họ được vinh danh nhờ những đóng góp tiên phong trong việc phát triển khung kim loại - hữu cơ (Metal-Organic Frameworks - MOFs), một loại vật liệu xốp mới với khả năng lưu trữ và xử lý các phân tử một cách hiệu quả. Công trình này không chỉ mở ra hướng đi mới trong hóa học mà còn hứa hẹn giải quyết nhiều thách thức toàn cầu như biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường và nhu cầu năng lượng bền vững. Với giải thưởng trị giá 11 triệu kronor Thụy Điển chia đều, đây là sự công nhận cho hành trình nghiên cứu kéo dài hàng thập kỷ, từ ý tưởng ban đầu đến ứng dụng thực tiễn.

 

Susumu Kitagawa, sinh năm 1951 tại Kyoto, Nhật Bản, tốt nghiệp tiến sĩ tại Đại học Kyoto năm 1979 và hiện là giáo sư xuất sắc tại Viện Nghiên cứu Tích hợp Tế bào - Vật liệu (iCeMS) thuộc trường này. Kitagawa nổi tiếng với việc chứng minh rằng MOFs có thể linh hoạt, cho phép khí gas di chuyển tự do qua cấu trúc và thay đổi hình dạng dưới tác động bên ngoài. Công trình của ông từ những năm 1990 đã đặt nền móng cho việc thiết kế MOFs động, mở rộng ứng dụng từ lưu trữ khí đến cảm biến hóa học. Ông là thành viên Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Anh và đã nhận nhiều giải thưởng quốc tế, phản ánh sự ảnh hưởng sâu rộng trong cộng đồng khoa học.

Richard Robson, sinh năm 1937 tại Glusburn, Anh, là người khởi xướng khái niệm MOFs. Ông lấy bằng tiến sĩ tại Đại học Oxford năm 1962, sau đó làm nghiên cứu sau tiến sĩ tại Caltech và Stanford trước khi làm việc tại Đại học Melbourne, Australia. Năm 1989, Robson đã thử nghiệm kết hợp ion đồng dương với phân tử hữu cơ, tạo nên tinh thể rỗng giống kim cương với vô số khoảng trống. Dù cấu trúc ban đầu không ổn định, ý tưởng của ông đã khơi dậy cuộc cách mạng trong thiết kế vật liệu. Robson, nay 88 tuổi, vẫn là nguồn cảm hứng cho thế hệ trẻ, với sự nghiệp tập trung vào hóa học vô cơ và cấu trúc không gian.

Omar M. Yaghi, sinh năm 1965 tại Amman, Jordan, trong một gia đình tị nạn từ Palestine, đại diện cho hành trình vượt khó. Ông nhận bằng tiến sĩ tại Đại học Illinois Urbana-Champaign năm 1990 và là sau tiến sĩ tại Harvard. Hiện là giáo sư Đại học California, Berkeley, Yaghi đã phát triển MOFs ổn định và chứng minh khả năng thiết kế hợp lý để tùy chỉnh tính chất. Ông được mệnh danh là "cha đẻ của hóa học lưới” (reticular chemistry), với hơn 800 bài báo khoa học và hàng loạt giải thưởng như Wolf Prize in Chemistry. Yaghi không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn thúc đẩy ứng dụng thực tế, như thu nước từ không khí sa mạc.

Khung kim loại - hữu cơ là lớp vật liệu lai giữa kim loại và hữu cơ, nơi ion kim loại làm "góc nối" và phân tử hữu cơ làm "liên kết", tạo nên lưới tinh thể ba chiều với độ xốp cực cao - có thể đạt tới 90% thể tích rỗng. Lịch sử MOFs bắt nguồn từ thí nghiệm của Robson năm 1989, nhưng phải đến giai đoạn 1992-2003, Kitagawa và Yaghi mới hoàn thiện bằng cách tăng độ ổn định và linh hoạt. Kitagawa chứng minh MOFs có thể "thở" – mở rộng hoặc co lại khi tiếp xúc với khí, trong khi Yaghi giới thiệu phương pháp thiết kế reticular, cho phép thay đổi kích thước lỗ và chức năng bề mặt. Đến nay, hơn 100.000 loại MOFs đã được tổng hợp, nhờ vào khả năng tự lắp ráp của nguyên tử.

Ứng dụng của MOFs vượt trội trong lưu trữ năng lượng. Chúng có thể lưu trữ hydro và metan hiệu quả hơn bình thường, hỗ trợ xe hơi chạy bằng nhiên liệu sạch. Trong pin lithium-ion và siêu tụ điện, MOFs làm vật liệu điện cực, tăng dung lượng và tốc độ sạc nhờ diện tích bề mặt lớn (lên đến 7.000 m²/g). Ví dụ, MOF-5 của Yaghi đã được sử dụng trong lưu trữ khí tự nhiên, giảm áp lực và tăng an toàn. Về môi trường, MOFs xuất sắc trong thu giữ CO2 từ khí thải công nghiệp, giảm phát thải nhà kính. Chúng cũng loại bỏ PFAS – "hóa chất vĩnh cửu" – khỏi nước uống, phân hủy dư lượng thuốc trong nước thải và lọc khí độc như NOx hoặc VOCs. Một ứng dụng đột phá là thu hoạch nước từ không khí khô hạn, như MOF-801 của Yaghi, có thể sản xuất 0,2 lít nước/kg MOF mỗi ngày ở độ ẩm 20%. Ngoài ra, MOFs làm xúc tác cho phản ứng hóa học xanh, chuyển hóa CO2 thành nhiên liệu hoặc hỗ trợ quang xúc tác phân hủy chất ô nhiễm dưới ánh sáng mặt trời.

Từ các nguồn nghiên cứu quốc tế, MOFs còn mở rộng sang y tế và cảm biến. Chúng được dùng làm hệ thống phân phối thuốc, giải phóng hoạt chất chính xác tại vị trí ung thư, hoặc làm cảm biến phát hiện khí độc với độ nhạy cao. Trong năng lượng tái tạo, MOFs hỗ trợ tách khí trong sản xuất hydro xanh và lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng hóa học. Tuy nhiên, thách thức vẫn tồn tại như chi phí sản xuất cao và độ bền trong môi trường thực tế, đòi hỏi nghiên cứu tiếp theo. So với các giải Nobel trước, như pin lithium-ion năm 2019, MOFs tiếp nối xu hướng vật liệu bền vững, góp phần vào mục tiêu Net Zero toàn cầu.

Giải Nobel Hóa học 2025 không chỉ tôn vinh ba nhà khoa học mà còn nhấn mạnh vai trò của MOFs trong việc xây dựng tương lai bền vững. Với tiềm năng tùy chỉnh vô hạn, MOFs có thể giải quyết khủng hoảng năng lượng, ô nhiễm và khan hiếm tài nguyên, mang lại lợi ích cho nhân loại. Hành trình từ ý tưởng cơ bản đến ứng dụng thực tiễn chứng tỏ sức mạnh của hợp tác nghiên cứu khoa học.

P.T (NASTIS), theo NobelPrize.org, 8/10/2025