Giải Nobel Hóa học 2025: Đột phá trong Khung Kim loại-Hữu cơ (MOFs)

Vào tháng 10 năm 2025, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã vinh danh Omar Yaghi, Susumu Kitagawa và Richard Robson với Giải Nobel Hóa học. Giải thưởng cao quý này ghi nhận những đóng góp tiên phong của họ trong việc phát triển và tổng hợp các Khung Kim loại-Hữu cơ (MOFs) – một lĩnh vực mà Omar Yaghi gọi là “hóa học mạng lưới” (reticular chemistry). Tổng giá trị giải thưởng là 11 triệu krona Thụy Điển sẽ được chia đều cho ba nhà khoa học.

MOFs được xem là những vật liệu lai tạo vô cùng đặc biệt. Chúng bao gồm các ion kim loại hoặc cụm ion được liên kết với các phân tử hữu cơ, tạo thành mạng lưới tinh thể ba chiều có tính lặp lại cao. Điểm nổi bật của các cấu trúc này là độ xốp kỷ lục, sở hữu những khoang rỗng lớn cho phép khí và các chất hóa học di chuyển qua lại dễ dàng. Những nghiên cứu đột phá của các nhà khoa học đoạt giải đang góp phần giải quyết các thách thức toàn cầu quan trọng, trải dài từ lĩnh vực môi trường cho đến năng lượng.

Nền móng cho lĩnh vực này được đặt ra bởi Richard Robson vào năm 1989, người đã lấy cảm hứng từ cấu trúc kim cương. Ông đã thành công trong việc sử dụng các ion đồng mang điện tích dương để xây dựng mạng lưới ba chiều đầu tiên có thể dự đoán được, với các lỗ rỗng rộng lớn. Mặc dù những thiết kế ban đầu của Robson còn gặp vấn đề về tính ổn định, chúng đã trở thành điểm khởi đầu không thể thiếu cho những khám phá tiếp theo trong ngành khoa học vật liệu này.

Sự ổn định cần thiết cho MOFs đã được tìm thấy thông qua công trình của Omar Yaghi và Susumu Kitagawa. Omar Yaghi, người có các nghiên cứu tại Đại học Arizona và Đại học California, Berkeley, đã tổng hợp thành công một khung cấu trúc vào năm 1995, trở thành nền tảng cho các MOFs bền vững. Phòng thí nghiệm của ông đã tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt riêng lên tới khoảng 4000 mét vuông trên mỗi gram. Sau đó, vào năm 1997, Susumu Kitagawa từ Đại học Kyoto đã chứng minh khả năng hấp phụ chọn lọc khí của vật liệu, cụ thể là trên một khung coban có khả năng hấp thụ CO₂, nitơ và oxy. Ông cũng giới thiệu khái niệm về các khung “linh hoạt”, có khả năng thay đổi cấu trúc khi tiếp xúc với các phân tử khác.

Tầm quan trọng toàn cầu của những vật liệu này là không thể phủ nhận. Cho đến nay, hơn 100.000 loại MOFs khác nhau đã được tổng hợp. Chúng hứa hẹn mang lại một cuộc cách mạng trong nhiều công nghệ ứng dụng. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm việc thu giữ CO₂ từ khí thải công nghiệp (dự kiến triển khai thương mại trong giai đoạn 2026–2027), lưu trữ năng lượng hiệu quả, vận chuyển thuốc theo mục tiêu và thu thập nước từ không khí ẩm.

Công nghệ PCP/MOF do Kitagawa phát triển hiện đã được áp dụng trong các dự án thực tế, ví dụ như mạng lưới khí thông minh Smart Gas Network, sử dụng các thùng chứa CubiTan® để vận chuyển metan mà không cần đến hệ thống đường ống phức tạp. Việc trao Giải Nobel Hóa học lần này là sự khẳng định mạnh mẽ trên phạm vi quốc tế đối với nhiều thập kỷ nghiên cứu cơ bản sâu sắc trong lĩnh vực khoa học vật liệu của các nhà khoa học.