Nobel Hóa học 2025 trao cho nghiên cứu vật liệu chống biến đổi khí hậu

Lễ công bố được Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển tổ chức tại thủ đô Stockholm. Ba nhà khoa học đến từ Nhật Bản, Anh và Mỹ đã được vinh danh vì công trình tạo ra những khung phân tử có cấu trúc rỗng, cho phép các phân tử khí hoặc hóa chất khác tự do di chuyển vào và thoát ra khỏi mạng lưới — một phát minh mở ra hướng đi hoàn toàn mới cho vật liệu học hiện đại.

Ba nhà khoa học Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar M. Yaghi là chủ nhân giải Nobel Hóa học 2025 - Ảnh: Nobel Prize

Loại vật liệu này được gọi là bộ khung kim loại – hữu cơ (Metal–Organic Frameworks, viết tắt MOF). Các khung này là những cấu trúc tinh thể gồm các ion hoặc cụm kim loại liên kết với các phối tử hữu cơ, hình thành nên mạng lưới ba chiều có độ xốp cực cao. Nhờ đặc tính đó, MOF có thể giữ, hấp thụ hoặc lọc chọn lọc các phân tử, từ khí CO₂, hơi nước, đến các chất ô nhiễm trong không khí và nước.

Theo Hội đồng Nobel, “bộ khung kim loại – hữu cơ mang đến những cơ hội chưa từng có để điều chỉnh vật liệu theo mong muốn, giúp tạo ra các chức năng hoàn toàn mới trong hóa học và công nghệ.” Ông Heiner Linke, Chủ tịch Hội đồng Nobel về Hóa học, nhận định rằng đây là “một bước ngoặt cho ngành vật liệu học đương đại.”

Hành trình ba thập niên cho một phát minh

Câu chuyện bắt đầu từ năm 1989, khi nhà hóa học Richard Robson (Đại học Melbourne, Anh) tìm cách tận dụng các đặc tính liên kết của kim loại theo hướng hoàn toàn khác. Ông kết hợp ion đồng mang điện tích dương với một phân tử có bốn nhánh liên kết, khiến các ion đồng bị hút vào từng đầu nhánh. Kết quả là một cấu trúc tinh thể rỗng, sắp xếp trật tự như mạng kim cương, hình thành — chứa vô số khoang nhỏ có thể lưu giữ hoặc cho phép các phân tử đi qua.

Robson ngay lập tức nhận ra tiềm năng khổng lồ của cấu trúc mới, song vật liệu mà ông tạo ra lại thiếu ổn định, dễ sụp đổ trong môi trường bình thường. Chính hai nhà khoa học còn lại, Susumu Kitagawa (Nhật Bản) và Omar Yaghi (Mỹ), đã đặt nền móng vững chắc để biến ý tưởng ấy thành hiện thực.

Cấu trúc nguyên tử của carbon dioxide được hấp thụ (quả cầu màu xám liên kết với hai quả cầu màu đỏ) được chèn vào giữa các nhóm mangan (quả cầu màu xanh lá cây) và nhóm amin (quả cầu màu xanh lam) trong khuôn khổ hữu cơ kim loại mới, tạo thành một chuỗi amoni cacbamat mạch thẳng (trên cùng).

Từ năm 1992 đến 2003, cả hai tiến hành những loạt thí nghiệm độc lập nhưng cùng hướng đến một mục tiêu: tạo ra các MOF bền vững, có thể tùy chỉnh cấu trúc và chức năng. Kitagawa chứng minh rằng khí có thể thâm nhập qua mạng lưới vật liệu và cho thấy MOF hoàn toàn có thể “thở” – tức là hấp thụ và nhả phân tử một cách linh hoạt. Trong khi đó, Yaghi thành công trong việc tạo ra loại MOF ổn định đầu tiên và chứng minh có thể thiết kế chúng một cách có hệ thống để tạo ra vô số vật liệu mới với đặc tính mong muốn.

Từ những công trình nền tảng đó, chỉ trong hai thập niên, giới khoa học đã tổng hợp được hàng chục nghìn loại MOF khác nhau. Một số có khả năng thu nước từ không khí sa mạc, số khác hấp thụ carbon dioxide để giảm khí thải, hoặc lọc bỏ các chất PFAS độc hại ra khỏi nước – vấn đề đang được cả thế giới quan tâm. Các nghiên cứu mới còn mở ra triển vọng ứng dụng MOF trong pin nhiên liệu, lưu trữ khí hydro hay xúc tác phản ứng hóa học xanh, góp phần giải quyết những thách thức năng lượng và môi trường của thế kỷ 21.

Vật liệu của tương lai

Về bản chất, khung kim loại – hữu cơ là vật liệu có độ xốp cao nhất từng được biết đến, thậm chí có thể sánh với zeolit hoặc than hoạt tính, nhưng lại linh hoạt hơn nhiều. Nhờ có thể thay đổi cả thành phần kim loại lẫn các phối tử hữu cơ, nhà khoa học có thể “thiết kế” cấu trúc theo mục tiêu: hấp thụ khí, tách chất độc, hoặc xúc tác phản ứng. Điều này khiến MOF được ví như “Lego phân tử” – mỗi mảnh ghép đều có thể tùy biến để xây dựng một vật liệu hoàn toàn mới.

Những phát hiện này không chỉ là đột phá khoa học, mà còn định hình lại tư duy của ngành hóa học vật liệu: từ việc “tìm kiếm vật liệu trong tự nhiên” sang “kiến tạo vật liệu theo ý muốn”. Ba nhà khoa học được vinh danh năm nay không chỉ mở ra một lĩnh vực mới – hóa học khung cơ kim (reticular chemistry) – mà còn đặt nền tảng cho hàng loạt ứng dụng công nghệ trong tương lai.

Giải thưởng danh giá và di sản khoa học nhân loại

Giải Nobel là phần thưởng cao quý do Quỹ Nobel tại Stockholm lập ra từ năm 1901, theo di chúc của Alfred Nobel – nhà phát minh thuốc nổ người Thụy Điển. Giải thưởng tôn vinh những cá nhân hoặc tổ chức có đóng góp nổi bật trong Vật lý, Hóa học, Y học, Văn học và Hòa bình. Từ năm 1968, thêm Giải Nobel Kinh tế được Ngân hàng Trung ương Thụy Điển thiết lập để tưởng nhớ ông.

Người đoạt giải nhận huy chương vàng, bằng chứng nhận và một khoản tiền thưởng (mức thưởng thay đổi hằng năm). Tính đến nay, giải Nobel Hóa học đã được trao 116 lần cho 197 học giả, trong đó có hai người từng nhận giải hai lần: Frederick Sanger và Barry Sharpless. Nhà khoa học trẻ nhất từng đoạt Nobel Hóa học là Frédéric Joliot, được vinh danh năm 1935 khi mới 35 tuổi, còn người lớn tuổi nhất là John B. Goodenough, nhận giải năm 2019 ở tuổi 97 nhờ phát minh ra pin lithium-ion.

Năm 2025, với việc tôn vinh ba nhà khoa học Kitagawa, Robson và Yaghi, Ủy ban Nobel một lần nữa khẳng định rằng khoa học vật liệu – lĩnh vực tưởng chừng trừu tượng – chính là chìa khóa cho một tương lai bền vững, nơi con người có thể điều khiển vật chất ở cấp độ phân tử để phục vụ sự sống và môi trường.

Bùi Tú