Người phát minh vật liệu MOFs 'bẫy' nước, CO2 từ không khí

GS Omar M. Yaghi cầm trên tay mô hình phân tử để giải thích về vật liệu MOFs.

Giáo sư (GS) Omar M. Yaghi đã xứng đáng giành giải Đặc biệt dành cho nhà khoa học nghiên cứu về lĩnh vực mới của Giải thưởng VinFuture trị giá 500.000 USD với công trình nghiên cứu về vật liệu khung cơ kim (Metal-Organic Frameworks - MOFs).

Ông hiện là Chủ tịch James and Neeltje Tretter tại Đại học California, Berkeley và là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ.

Nhóm vật liệu mới từ sáng chế của ông được làm từ kim loại và các hợp chất hữu cơ, mang lại bước tiến mới trong cuộc cách mạng trong hóa học khi có nhiều ứng dụng tiềm năng trong việc hỗ trợ quá trình chuyển đổi khí phát thải carbon, lọc nước, lọc không khí, xúc tác và cảm biến.

Ngày 21/1, tại buổi giao lưu Talk Future ngay sau lễ trao giải, ông đã chia sẻ những điều thú vị về công nghệ mới này.

Tuổi thơ gian khó và niềm đam mê hóa học

GS Yaghi tại buổi giao lưu Talk Future.

GS Yaghi kể, hồi nhỏ ông là một cậu bé độc lập. "9-10 tuổi tôi đã không làm phiền đền cha mẹ về việc học tập ở trường. Tôi tự chịu trách nhiệm, bố mẹ không cần hỏi điểm số và tôi cũng không muốn mọi người kiểm tra tôi".

Cuộc sống của gia đình ông khó khăn, và khi tự làm thì sẽ thấy điều đó rất có ý nghĩa. Ông còn nhớ trước nhà ông có một gia đình 10 người chỉ có 1 phòng và phải sống chung với bò. Hồi đó, mọi người còn nuôi bò trong nhà.

Ông tâm sự: "Tôi và nhiều người đã có tuổi thơ gian khó. Có 80-90% người dân đang sống ở các nước đang phát triển, ai cũng gặp khó khăn. Tôi sống trong một gia đình di cư, tị nạn, nhiều người cùng sống trong một nhà mà không có nước, điện… Cuộc sống không bao giờ dễ dàng cả. Nhưng tình yêu thương và sự khích lệ của cha mẹ có ý nghĩa lớn để tôi tiến về phía trước, vượt qua gian khó".

Nhưng trong sự gian khó ấy, GS Yaghi đã phát hiện ra niềm đam mê hóa học của mình.

Năm ông 10 tuổi, giờ ăn trưa ông thường đến thư viện và thấy 1 cuốn sách. Ông đã vô cùng ấn tượng và nhớ mãi hình ảnh mô hình dù chưa biết đó là gì. Nhiều năm sau, ông càng quan tâm hình ảnh đó. Hóa ra đó là hình ảnh 1 phân tử.

"Hồi còn nhỏ tôi không thể hình dung đó là khởi điểm tình yêu của tôi dành cho hóa học và vật liệu. Từ đó dẫn đến đam mê và phát minh của tôi trong tạo ra vật liệu mới - vật liệu khung cơ kim MOFs", ông nói.

Và từ 1 hình ảnh thấy ở thư viện, nó đã nuôi dưỡng đam mê của trở thành một nhà khoa học của ông.

"Khi còn nhỏ tôi không nghĩ sẽ giải quyết vấn đề của thế giới, hay tạo ra một phát minh, vật liệu có ý nghĩ lớn như vậy. Đây là một giấc mơ thành hiện thực. Tôi đến với hóa học vì vẻ đẹp của vật liệu, phân tử thay vì giải quyết vấn đề của thế giới. Nhưng gián tiếp đã tạo ra một loại vật liệu giải quyết vấn đề của thế giới", ông tâm sự.

Sức mạnh của loại vật liệu tưởng như vô hình

Nhà khoa học người Mỹ gốc Jordan Omar M. Yaghi.

Kể về vật liệu mới này, ông Yaghi cho biết, 30 năm trở lại đây, ông và các cộng sự đã sử kỹ thuật chính xác để thiết kết vật liệu này, kích thước rất nhỏ, thậm chí với 1 gram có thể che phủ diện tích còn lớn hơn cả 1 sân bóng đá.

Chúng có liên kết mạnh mẽ, mắt thường không nhìn được, nhưng ở góc độ phân tử có thể thấy có nhiều lỗ rỗng.

Khi đi sâu vào lỗ rỗng trong vật liệu, có thể sử dụng hóa chất để lọc, loại bỏ CO2 trong không khí và đưa vào lỗ rỗng này. Vì thế, các nhà khoa học có thể thiết kế, lập trình lỗ rỗng để chuyển CO2 thành nhiên liệu hoặc lấy nước từ không khí. Ở hoang mạc, sa mạc, không khí có nước, có hơi ẩm. Chúng ta có thể sử dụng vật liệu MOFs khai thác nước trong không khí để sử dụng.

Ở các khu vực hạn hán, sa mạc vốn chiếm 1/3 diện tích thế giới, MOFs có thể được sử dụng, thiết kế chính xác để lấy nước từ không khí. Trước đó, các nhà khoa học từng sử dụng phương pháp làm lạnh hay một số phương pháp khác để lấy nước trong không khí, nhưng nó chỉ áp dụng được ở nơi có độ ẩm cao. Còn vật liệu này ở cấp độ phân tử, có thể thấy lỗ rỗng tích tụ hạt nhỏ như hạt đá có thể sử dụng làm nước.

"Khi mới phát minh MOFs, chúng tôi vô cùng phấn khích. Với người bình thường khó nhìn thấy vật liệu bằng mắt thường. Chúng tôi hay lấy các quả bóng màu vàng nhét vào lỗ rỗng để khán giả hiểu. Đây là cách giải thích nguyên lý lập trình, thiết kế để lỗ rỗng bẫy nước, CO2", GS Yaghi giải thích.

Cầm mô hình vật liệu MOFs trên tay, GS Yaghi phân tích: "Chúng tôi phấn khích với mô hình này vì có thể sử dụng cấu phần tự nhiên trong đó có vật liệu hữu cơ, kim loại kết hợp với nhau để tạo ra số lượng vật liệu vô hạn. Đây chỉ là 1 trong hàng 1 kết cấu khác nhau. Có thể liên kết khác nhau để tạo ra nhiều vật liệu khác nhau, với hình dạng khác nhau, các vật liệu đó có thể giải quyết các vấn đề nhức nhối nhất của thế giới".

Nhà khoa học với phát kiến vĩ đại này cho rằng, MOFs chỉ là 1 mô hình, không có giới hạn. Với sự sáng tạo của con người, nhân loại dù gặp vấn đề gì, nếu chúng ta quyết tâm, có ý chí, cam kết và đầu tư nguồn lực tài chính thì đều có thể giải quyết được.

"Người trẻ hãy mơ lớn, đừng để bất kỳ điều gì cản bước"

GS Yaghi nhận giải Đặc biệt dành cho nhà khoa học nghiên cứu về lĩnh vực mới của Giải thưởng VinFuture. Ảnh: TRẦN HẢI

Tại buổi giao lưu với các bạn trẻ trong Talk Future, GS Yaghi đã đặt ra câu hỏi lớn: Làm thế nào để nhân loại phát triển bền vững. Và theo ông, người trẻ không nên chỉ đặt ra câu hỏi mà hãy mày mò tìm ra câu trả lời.

Theo ông, hiện nhân loại đang choáng ngợp với thông tin trên mạng. Nhưng không phải thông tin nào cũng đáng tin cậy. Nhiều người chấp nhận thông tin đó mà không tìm hiểu thực tế đúng sai. Phải có tư duy phản biện, đưa ra vấn đề gì cũng tư duy ở chiều ngược lại để không ảnh hưởng đến thế giới xung quanh.

Nhận được giải thưởng Đặc biệt về nghiên cứu vật liệu mới của VinFuture, GS Yaghi cảm thấy vô cùng phấn khích.

"Đây là sự vinh danh tuyệt vời cho các nhà khoa học trong lĩnh vực vật liệu. Trong lĩnh vực này, một người không làm được mà là cả cộng đồng. Tôi chỉ mở cánh cửa, còn để phát triển nó cần sự chung tay của nhiều người", ông tâm sự.

GS Yaghi khuyên giới trẻ: "Hãy mơ và mơ lớn đừng để bất kỳ điều gì cản bước. Cuộc sống có nhiều căng thẳng, đẩy ta đi xa hơn đam mê nhưng hãy cứng đầu, ngoan cố, trung thành trong đam mê, không gì có thể thay đổi được".

GS Omar M. Yaghi tốt nghiệp Đại học Bang New York tại Albany năm 1985 và nhận bằng Tiến sĩ Hóa học Vô cơ của Đại học Illinois tại Urbana-Champaign năm 1990. Từ năm 1990-1992, ông là Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) tại Đại học Harvard.

Ông bắt đầu sự nghiệp độc lập của mình năm 1992 với tư cách là Trợ lý Giáo sư tại Đại học Bang Arizona, sau đó chuyển đến Đại học Michigan tại Ann Arbor với tư cách là Giáo sư Hóa học vào năm 1999, và tiếp theo là Giáo sư tại Đại học California tại Los Angeles (UCLA) vào năm 2006.

Từ năm 2012, ông là Giáo sư Hóa học tại Đại học California, Berkeley. GS Yaghi là Giám đốc sáng lập của Viện Khoa học Toàn cầu Berkeley và là Đồng Giám đốc của Viện Khoa học Nano Năng lượng Kavli và Liên minh Nghiên cứu California của BASF.

Năm 1995, GS Yaghi đã báo cáo việc điều chế thành công dạng thức đầu tiên của hợp chất mà ông cho rằng sẽ trở thành một loại vật liệu xốp được ứng dụng rộng rãi, có tên là khung hữu cơ-kim loại (MOFs).

Trong phương pháp của ông, các ion kim loại liên kết với các liên kết hữu cơ tích điện theo giản đồ bằng cacboxylat, đi kèm là bằng chứng về độ xốp của vật liệu MOF (phát hiện năm 1998) và độ xốp siêu cao của chúng (phát hiện năm 1999), tạo ra một phản ứng dây chuyền trên toàn thế giới, dẫn đến sự phát triển của hóa học và vật liệu MOF.

Năm 2005, ông mở rộng phương pháp của mình để áp dụng vào việc thiết kế và kết tinh khung hữu cơ cộng hóa trị (COF) 2D đầu tiên và vào năm 2007 là COF dạng 3D. MOF và COF hiện đang được ứng dụng trên toàn thế giới.

Phát minh của GS Yaghi về MOF và COF có ý nghĩa lớn trong việc làm sạch môi trường, mang lại bầu không khí sạch hơn, nguồn năng lượng sạch hơn và nguồn nước sạch hơn.

Ngoài ra, máy thu nước MOF của GS Yaghi đã được chứng minh là có tiềm năng cung cấp nước sạch mọi lúc mọi nơi, nhờ đó giúp con người có thể tự chủ về nguồn nước.

HẢI PHONG