Việc trao Giải Nobel Hóa học năm 2025 đã vinh danh một bước đột phá cơ bản trong khoa học vật liệu, ghi nhận những nghiên cứu tiên phong của Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar M. Yaghi. Ba nhà khoa học xuất sắc này được trao giải thưởng cao quý nhờ công trình phát triển Khung Kim loại-Hữu cơ (MOF) – một nhóm vật liệu mở ra chân trời mới trong việc kiểm soát vật chất ở cấp độ nano. MOF là những cấu trúc phân tử đáng kinh ngạc, nổi bật nhờ có các khoang rỗng bên trong rộng lớn, cho phép chúng hấp thụ, giữ lại và giải phóng chọn lọc các loại khí và hợp chất hóa học khác. Những cấu trúc này hoạt động như “miếng bọt biển phân tử” với diện tích bề mặt bên trong khổng lồ, khiến chúng trở nên không thể thiếu để giải quyết các vấn đề phức tạp về lưu trữ và tách chất.
Richard Robson là người đặt nền móng cho lĩnh vực này. Năm 1989, ông đã tạo ra các cấu trúc tinh thể có trật tự đầu tiên bằng cách kết hợp các ion đồng với các phân tử hữu cơ có bốn “cánh tay”. Tuy nhiên, những mẫu ban đầu này còn yếu và dễ bị phá vỡ. Bước ngoặt quyết định xảy ra trong giai đoạn từ năm 1992 đến năm 2003, khi Susumu Kitagawa và Omar M. Yaghi thành công trong việc ổn định những kiến trúc mong manh này. Thành tựu cốt lõi của họ là chứng minh được rằng khí có thể tự do đi vào và thoát ra khỏi các khung, xác nhận tính linh hoạt và khả năng điều chỉnh chính xác của chúng thông qua thiết kế có mục tiêu. Giáo sư Kitagawa, đại diện cho Đại học Kyoto, và Giáo sư Yaghi từ Đại học California tại Berkeley, cùng với Giáo sư Robson của Đại học Melbourne, đã phát triển các phương pháp giúp MOF có thể ứng dụng thực tế. Đơn cử, phòng thí nghiệm của Yaghi đã chế tạo ra MOF-5, nổi bật với thể tích lỗ rỗng cực lớn và độ ổn định cao.
Ủy ban Nobel đã nhấn mạnh rằng những cấu trúc này mở ra các khả năng trước đây chưa từng được hình dung để tạo ra vật liệu với các chức năng được xác định trước. Chủ tịch Ủy ban, Heiner Linke, đã ví tiềm năng của MOF với “chiếc túi xách của Hermione” trong truyện Harry Potter, có khả năng chứa một lượng khí khổng lồ trong một thể tích nhỏ bé. Đóng góp của các nhà khoa học này đã cung cấp cho các nhà hóa học công cụ để giải quyết các thách thức toàn cầu cấp bách.
Phạm vi ứng dụng thực tế của MOF thực sự rất rộng lớn. Chúng là nền tảng trong việc phát triển các công nghệ “xanh”: từ việc chiết xuất độ ẩm hiệu quả từ không khí loãng trong sa mạc (ví dụ, sử dụng vật liệu MOF-303, có thể thu thập hơi nước vào ban đêm) cho đến việc thu giữ carbon dioxide và lưu trữ hydro an toàn. Hơn nữa, những vật liệu này còn hứa hẹn trong việc tách hỗn hợp hydrocarbon nhẹ—một yếu tố quan trọng đối với ngành công nghiệp dầu khí—cũng như trong việc vận chuyển thuốc và thậm chí làm chậm quá trình chín của trái cây bằng cách hấp thụ khí ethylene. Các nghiên cứu cũng chỉ ra tiềm năng của chúng trong xúc tác và vai trò cảm biến.
Mặc dù đạt được thành tựu vang dội, vẫn còn những thách thức kỹ thuật trên con đường áp dụng rộng rãi, chẳng hạn như đảm bảo độ bền trong các chu trình hấp thụ/giải phóng và mở rộng quy mô sản xuất. Tuy nhiên, theo quan điểm của một số nhà nghiên cứu, những khung vật liệu này có thể trở thành vật liệu của thế kỷ XXI, mang lại giải pháp cho cuộc chiến chống biến đổi khí hậu thông qua các công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon. Ba nhà khoa học đã chia sẻ giải thưởng trị giá 11 triệu kronor Thụy Điển. Phản ứng của họ trước sự đánh giá cao này khá khiêm tốn: Kitagawa bày tỏ sự ngạc nhiên, Robson đề cập đến những khó khăn liên quan đến sự xáo trộn sau đó, còn Yaghi thì nhận xét ngắn gọn rằng không thể chuẩn bị trước cho khoảnh khắc như vậy. Công trình chung của họ không chỉ thay đổi hóa học vật liệu mà còn trao cho nhân loại một đòn bẩy mạnh mẽ để định hình một tương lai bền vững hơn, nơi ngay cả khoảng trống dường như vô hình trong cấu trúc nguyên tử cũng trở thành nguồn gốc của những cơ hội vĩ đại.