Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Giải Nobel Hóa học năm 2025 được trao cho ba nhà khoa học Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar M. Yaghi nhằm ghi nhận những đóng góp mang tính nền tảng trong việc phát triển các khung cấu trúc hữu cơ kim loại, hay còn gọi là metal–organic frameworks (MOFs). Đây là một lớp vật liệu tiên tiến có khả năng hấp phụ và lưu trữ hiệu quả các loại khí như carbon dioxide và hydro, đồng thời mở ra những hướng đi mới trong xử lý môi trường, năng lượng sạch và thích ứng với biến đổi khí hậu.

Việc vinh danh MOFs không chỉ là sự ghi nhận một thành tựu khoa học xuất sắc, mà còn phản ánh xu hướng ngày càng rõ nét của khoa học hiện đại: hướng tới các giải pháp vật liệu có khả năng giải quyết trực tiếp những thách thức toàn cầu về khí hậu, tài nguyên và phát triển bền vững.

MOFs là gì và vì sao được coi là vật liệu đột phá

MOFs có thể được hình dung như những miếng bọt biển vi mô với cấu trúc tinh thể ba chiều cực kỳ xốp. Chúng được tạo thành từ các ion kim loại hoặc cụm kim loại đóng vai trò như các điểm nút, liên kết với các phân tử hữu cơ dài và cứng để tạo thành một mạng lưới không gian rỗng ở cấp độ nano. Chính cấu trúc này mang lại cho MOFs diện tích bề mặt nội tại khổng lồ, vượt xa các vật liệu xốp truyền thống.

Chỉ với vài gam bột MOF, diện tích bề mặt bên trong có thể tương đương với diện tích của một sân bóng đá. Nhờ đó, MOFs được xem là một trong những vật liệu rắn xốp nhất từng được biết đến. Đặc tính này cho phép chúng hấp phụ một lượng lớn phân tử khí hoặc hơi nước, ngay cả khi các chất này chỉ tồn tại ở nồng độ thấp.

Không giống như nhiều vật liệu xốp trước đây có cấu trúc cố định, MOFs cho phép các nhà khoa học chủ động thiết kế cấu trúc ở cấp độ phân tử. Bằng cách lựa chọn kim loại trung tâm và ligand hữu cơ phù hợp, người ta có thể điều chỉnh kích thước lỗ rỗng, tính phân cực, độ bền nhiệt và ái lực hóa học của vật liệu. Điều này biến MOFs thành một nền tảng vật liệu linh hoạt, có thể “đặt hàng” theo yêu cầu ứng dụng cụ thể.

Hành trình khoa học dẫn đến MOFs hiện đại

Sự phát triển của MOFs là kết quả của nhiều thập kỷ nghiên cứu trong hóa học phối trí và hóa học vật liệu. Richard Robson là một trong những người đầu tiên đề xuất ý tưởng xây dựng các khung tinh thể ba chiều từ ion kim loại và ligand hữu cơ. Tuy nhiên, những cấu trúc ban đầu còn thiếu độ ổn định và khó ứng dụng thực tế.

Susumu Kitagawa đã có những đóng góp quan trọng trong việc chứng minh rằng các khung này có thể vừa xốp vừa bền, đồng thời cho phép các phân tử khí đi vào và đi ra một cách có kiểm soát. Công trình của ông giúp khẳng định MOFs không chỉ là những cấu trúc đẹp về mặt tinh thể học, mà còn là vật liệu chức năng thực sự.

Omar M. Yaghi đã đưa lĩnh vực này lên một tầm cao mới bằng cách phát triển phương pháp thiết kế có hệ thống và có thể dự đoán trước. Cách tiếp cận này cho phép tạo ra hàng nghìn cấu trúc MOF khác nhau, mỗi cấu trúc được tối ưu cho một nhiệm vụ cụ thể như hấp phụ CO₂, lưu trữ hydro hay tách chọn lọc các phân tử.

OFs và bài toán thu giữ carbon

Một trong những ứng dụng được quan tâm nhất của MOFs là thu giữ carbon dioxide, một loại khí nhà kính chủ yếu gây ra biến đổi khí hậu. Nhờ diện tích bề mặt lớn và khả năng thiết kế chọn lọc, MOFs có thể hấp phụ CO₂ hiệu quả hơn so với nhiều vật liệu truyền thống.

Đặc biệt, MOFs có tiềm năng làm giảm chi phí và năng lượng tiêu thụ trong các quá trình thu giữ CO₂ từ khí thải công nghiệp hoặc trực tiếp từ không khí. Một số cấu trúc MOF được thiết kế để ưu tiên hấp phụ CO₂ ngay cả khi nồng độ khí này rất thấp, đồng thời cho phép giải phóng CO₂ ở nhiệt độ thấp hơn trong chu trình tái sinh vật liệu. Đây là yếu tố then chốt để các công nghệ thu giữ carbon trở nên khả thi về mặt kinh tế.

Vai trò của MOFs trong lưu trữ hydro và chuyển đổi năng lượng

Bên cạnh CO₂, MOFs còn đóng vai trò quan trọng trong lưu trữ hydro, một nguồn năng lượng sạch được kỳ vọng sẽ thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Thách thức lớn nhất của kinh tế hydro là làm sao lưu trữ và vận chuyển hydro một cách an toàn, hiệu quả và tiết kiệm.

MOFs cho phép lưu trữ hydro trong các lỗ rỗng nano với mật độ cao, đồng thời hoạt động ở điều kiện áp suất và nhiệt độ ôn hòa hơn so với nhiều phương pháp truyền thống. Điều này mở ra triển vọng ứng dụng MOFs trong pin nhiên liệu, phương tiện giao thông chạy bằng hydro và các hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo.

Thu nước từ không khí và các ứng dụng môi trường khác

Một hướng ứng dụng đầy hứa hẹn khác của MOFs là thu nước từ không khí, đặc biệt ở những khu vực khô hạn hoặc thiếu nguồn nước sạch. Một số MOFs có khả năng hấp phụ hơi nước vào ban đêm và giải phóng nước lỏng khi được làm ấm nhẹ vào ban ngày, tạo ra chu trình thu nước thụ động với mức tiêu thụ năng lượng thấp.

Ngoài ra, MOFs còn được nghiên cứu cho nhiều ứng dụng môi trường khác như loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ bền vững, xử lý nước, tách khí, xúc tác hóa học và cảm biến. Sự đa dạng ứng dụng này cho thấy MOFs không phải là một giải pháp đơn lẻ, mà là một nền tảng công nghệ có khả năng tích hợp vào nhiều lĩnh vực khác nhau.

Chính sách, đầu tư và triển vọng tương lai

Tại châu Âu và nhiều khu vực khác, MOFs đang nhận được sự quan tâm mạnh mẽ từ các chương trình nghiên cứu và đổi mới, tiêu biểu là Horizon Europe, Quỹ Đổi mới và các sáng kiến liên quan đến loại bỏ carbon. Những chương trình này không chỉ thúc đẩy nghiên cứu cơ bản mà còn hỗ trợ thử nghiệm và triển khai MOFs trong các hệ thống công nghiệp thực tế.

Dù vẫn còn những thách thức về chi phí, độ bền lâu dài và khả năng sản xuất quy mô lớn, MOFs đang từng bước tiến gần hơn tới ứng dụng thương mại. Việc Giải Nobel Hóa học 2025 vinh danh lĩnh vực này được xem là cú hích quan trọng, góp phần tăng cường niềm tin của thị trường, thu hút đầu tư và thúc đẩy hợp tác quốc tế.

Kết luận

Khung cấu trúc hữu cơ kim loại đại diện cho một bước ngoặt trong khoa học vật liệu, nơi tư duy thiết kế ở cấp độ phân tử được sử dụng để giải quyết những vấn đề mang tính toàn cầu. Từ thu giữ carbon, lưu trữ năng lượng đến cung cấp nước sạch, MOFs mở ra những khả năng mới cho một tương lai bền vững hơn. Giải Nobel Hóa học 2025 không chỉ tôn vinh ba nhà khoa học xuất sắc, mà còn khẳng định vai trò trung tâm của khoa học vật liệu trong hành trình hướng tới một hành tinh sạch hơn.