Giải Nobel Hóa học năm 2025

 (nobelprize.org)
1 điểm bởi GN⁺ 2025-10-10 | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp
  • Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi nhận Giải Nobel Hóa học 2025 nhờ phát triển khung kim loại-hữu cơ (MOF)
  • MOF là những cấu trúc phân tử có khoang rỗng (cavity) lớn, với tiềm năng ứng dụng đa dạng như lưu trữ phân tử nước, thu giữ carbon, lưu trữ hydro và loại bỏ chất ô nhiễm
  • Việc thiết kế ban đầu và đưa vào ứng dụng các MOF mang tính đột phá đã mở đường cho phát triển hàng chục nghìn loại vật liệu hóa học tùy biến
  • Khác với vật liệu truyền thống, MOF nổi bật với những ưu điểm độc đáo về tính linh hoạt, đa dạng tổ hợp phân tử và đa chức năng cao
  • MOF đang đưa ra những lời giải hóa học mới cho cả nghiên cứu lẫn công nghiệp, và nổi lên như một vật liệu then chốt của thế kỷ 21

Tạo ra không gian mới cho hóa học: Giải Nobel Hóa học năm 2025

Tổng quan

  • Giải Nobel Hóa học 2025 được trao cho Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi
  • Họ đã phát triển khung kim loại-hữu cơ (MOF, Metal–Organic Frameworks), một dạng cấu trúc phân tử mang tính đột phá
  • MOF là những cấu trúc có chứa các khoang rỗng cực lớn bên trong, cho phép nhiều loại phân tử đi vào và đi ra
  • Nhờ đó, nhiều ứng dụng đổi mới đã trở thành hiện thực như chiết xuất nước từ không khí sa mạc, loại bỏ chất ô nhiễm, thu giữ carbon dioxide và lưu trữ hydro

Bối cảnh ra đời và ý tưởng về MOF

Ý tưởng bắt đầu từ mô hình phân tử bằng gỗ (Richard Robson)

  • Năm 1974, Richard Robson đã tạo ra mô hình phân tử bằng gỗ để giảng dạy sinh viên và từ đó lấy cảm hứng từ cách các nguyên tử liên kết với nhau
  • Ông đưa ra ý tưởng kết hợp ion kim loại liên kết theo bốn hướng như carbon (copper ion) với các phân tử hữu cơ có 4 nhánh
  • Kết quả là ông lần đầu tiên tạo ra một tinh thể phân tử có trật tự với các khoang rỗng cực lớn bên trong
  • Năm 1989, ông công bố cấu trúc đột phá này và dự báo về một phương pháp thiết kế vật liệu mới

Thực nghiệm và đề xuất mang tính định hướng tương lai

  • Robson đã kết hợp nhiều loại ion và phân tử khác nhau để tạo ra cấu trúc có khoang rỗng, đồng thời thực nghiệm cho thấy có thể trao đổi ion bên trong thực sự
  • Cấu trúc này mở ra khả năng mở rộng thành vật liệu hóa học kiểu mới như chất xúc tác cho phản ứng hóa học chọn lọc
  • Dù cấu trúc vào thời điểm đó còn thiếu ổn định, tư duy hướng đến tương lai của ông đã truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu về sau

Sự khai phá độc lập của Kitagawa và Yaghi

Kitagawa: “Tính hữu dụng của điều vô dụng”

  • Susumu Kitagawa phát triển cấu trúc phân tử xốp ban đầu chưa có ứng dụng đặc biệt nào, dựa trên nguyên tắc “tính hữu dụng của điều vô dụng”
  • Sau khi công bố cấu trúc hai chiều dựa trên ion đồng vào năm 1992, đến năm 1997 ông đã hiện thực hóa MOF ba chiều bền vững và có khả năng lưu trữ khí
  • So với zeolite truyền thống, MOF có những thế mạnh riêng như tính linh hoạt của vật liệu và sự đa dạng của các phân tử cấu thành
  • Năm 1998, ông đề xuất khái niệm tính linh hoạt của MOF, mở ra một mô hình mới cho giới học thuật

Yaghi: Sự kiên định với thiết kế ở cấp độ nguyên tử

  • Omar Yaghi lớn lên trong hoàn cảnh khó khăn nhưng nuôi dưỡng sự tò mò sâu sắc đối với cấu trúc phân tử
  • Năm 1992 tại Arizona State University, ông thử nghiệm thiết kế phân tử hợp lý và công bố MOF hai chiều bằng cách kết hợp ion kim loại với phân tử hữu cơ
  • Năm 1995, ông lần đầu đề xuất thuật ngữ “metal–organic framework”, từ đó dẫn dắt lĩnh vực MOF một cách thực chất
  • Năm 1999, ông phát triển vật liệu tiêu biểu MOF-5, chứng minh tính đột phá khi chỉ 2–3g đã tạo ra diện tích bề mặt bên trong tương đương một sân bóng đá
  • Giai đoạn 2002–2003, ông chứng minh rằng có thể thiết kế thuận lợi các MOF với nhiều kích thước khoang rỗng khác nhau

Ứng dụng và tầm ảnh hưởng của MOF

Ứng dụng đổi mới trên nhiều lĩnh vực

  • MOF có thể được thiết kế tùy chỉnh ở cấp độ phân tử, cho phép hàng chục ứng dụng hiệu năng cao như hấp thụ nước, lưu trữ khí, dẫn truyền thuốc, thu giữ khí độc và phân hủy chất ô nhiễm
  • Nhóm của Yaghi đã chứng minh khả năng ứng dụng thực tiễn, chẳng hạn như chiết xuất nước từ không khí sa mạc
  • Các vật liệu MOF như UiO-67, MIL-101, ZIF-8, CALF-20, NU-1501 đang được thử nghiệm trong công nghiệp cho các mục tiêu như lưu trữ hydro/carbon dioxide, loại bỏ PFAS và chiết xuất đất hiếm

Kỳ vọng như vật liệu tương lai của thế kỷ 21

  • MOF hiện vẫn chủ yếu ở giai đoạn nghiên cứu quy mô nhỏ và sản xuất nguyên mẫu, nhưng sản xuất hàng loạt và thương mại hóa đang được thúc đẩy mạnh mẽ
  • Chúng cũng được chú ý như giải pháp cho các vấn đề khí hậu và môi trường trong các lĩnh vực như lưu trữ khí độc hại cho ngành điện tử, thu giữ carbon và lưu trữ hydro
  • Nhiều nhà nghiên cứu dự báo MOF sẽ trở thành vật liệu mới tiêu biểu của thế kỷ 21

Tiểu sử các nhà khoa học đoạt giải

  • Susumu Kitagawa: sinh năm 1951 tại Kyoto, Nhật Bản; tiến sĩ Đại học Kyoto; giáo sư Đại học Kyoto
  • Richard Robson: sinh năm 1937 tại Anh; tiến sĩ Đại học Oxford; giáo sư Đại học Melbourne
  • Omar M. Yaghi: sinh năm 1965 tại Amman, Jordan; tiến sĩ Đại học Illinois; giáo sư UC Berkeley

Thông tin bổ sung

  • Thông tin khoa học và tài liệu chi tiết hơn có tại www.nobelprize.org
  • Video, bài giảng và thông tin triển lãm liên quan đến giải thưởng có thể xem trên trang chính thức của Nobel Prize Museum

Giải Nobel Hóa học năm 2025 được trao cho công trình phát triển khung kim loại-hữu cơ
Susumu Kitagawa, Richard Robson, Omar M. Yaghi
“for the development of metal–organic frameworks”
© The Royal Swedish Academy of Sciences

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 2025-10-10
Ý kiến Hacker News

  • Gửi lời chúc mừng tới những người đoạt giải, và cho rằng đây thực sự là thành tựu rất xứng đáng Nói ngắn gọn, các vật liệu xốp dạng bọt biển rất hữu ích để tăng tốc độ phản ứng và để bắt giữ rồi giải phóng các phân tử (nước, CO2, chất ô nhiễm, v.v.), và diện tích bề mặt càng lớn thì càng có giá trị Trước đây người ta chủ yếu dùng zeolite (khoáng aluminosilicate tự nhiên và tổng hợp), nhưng zeolite tổng hợp hầu như được tạo ra bằng cách thử-sai MOF (Metal-Organic Framework) có thể được thiết kế trước, và diện tích bề mặt còn lớn hơn zeolite rất nhiều (zeolite thường là 20-400 m2/gram, còn MOF là 1000-7000+ m2/gram) Hiện tại MOF vẫn đắt nên trước mắt vẫn phải dùng zeolite, nhưng khả năng tiếp cận đang tăng lên đến mức giờ có thể mua MOF cả trên Amazon, và kỳ vọng rằng các MOF đơn giản sẽ rẻ đi trong tương lai

  • Câu chuyện về khoảnh khắc “Aha!” đã truyền cảm hứng cho tôi thử xử lý ý tưởng theo cách vật lý Tôi lấy lại các quả cầu gỗ và thử làm mô hình phân tử, rồi nhận ra rằng thông tin được ẩn trong vị trí của các lỗ Hình dạng và cấu trúc đúng tự động hình thành, và điều đó dẫn tới ý tưởng thiết kế các cấu trúc phân tử mới bằng cách tận dụng tính chất của nguyên tử

  • Điều này làm tôi nhớ đến giai thoại trong <Surely You Must Be Joking, Mr. Feynman>, khi Richard Feynman bị bí ý tưởng, rồi vừa nghĩ vừa nhìn chiếc đĩa xoay trong nhà hàng và từ đó bắt đầu nghiên cứu một quan hệ toán học Bản thân phép toán ông tính khi đó không có mục đích đặc biệt nào, nhưng sau này lại đóng vai trò quyết định trong việc giúp ông nhận giải Nobel Thông điệp ở đây là đừng bao giờ đánh giá thấp sức mạnh của sự chơi đùa

  • Những vật liệu này thực sự giống như phiên bản đời thực của miếng bọt biển Menger với diện tích bề mặt bên trong khổng lồ 15 năm trước, khi thực tập tại một công ty xúc tác khử lưu huỳnh (xúc tác loại bỏ thành phần lưu huỳnh trong dầu thô để nhiên liệu không bốc mùi khó chịu), tôi đã tạo được vài MOF ổn định trong không khí và khá dễ xử lý Vì phản ứng giữa chất lưu và xúc tác diễn ra trên bề mặt xúc tác, nên diện tích bề mặt càng lớn thì tốc độ và hiệu quả phản ứng càng tăng Tôi từng tái tạo MOF theo bài báo, và vẫn nhớ bề mặt bên trong lớn đến mức khiến mọi người trong công ty đều sốc Chỉ đơn giản là làm theo thí nghiệm rồi đo diện tích bề mặt thôi mà tôi được đánh giá mức xuất sắc nhất, nên xin cảm ơn Yaghi và nhóm nghiên cứu đã tạo ra MOF, đó vẫn luôn là một kỷ niệm đẹp

    • Thử nghiệm những thứ này thì rất hay, nhưng nếu muốn dùng trong công nghiệp thực tế thì chẳng phải sẽ phải lo phí sử dụng đắt đỏ vì vấn đề bằng sáng chế hay giấy phép sao?

    • Với cách diễn đạt “phiên bản đời thực của miếng bọt biển Menger với diện tích bề mặt bên trong khổng lồ”, tôi đáp lại dí dỏm kiểu như mình lúc nào cũng ở đúng chỗ đó vậy

  • MOF là chủ đề rất “hot” trong giới hóa học suốt 10 năm qua, nên việc đoạt giải cũng không quá bất ngờ, xin chúc mừng những người đoạt giải

  • Phần giải thích được viết rất hay nên tôi rất thích, nhưng vẫn có vài điểm hơi tiếc Việc dùng en dash thay vì hyphen trong ‘metal–organic’, và việc thiếu dấu apostrophe sở hữu trong “the ions and molecules inherent attraction…” làm tôi thấy khó chịu

    • Việc thiếu apostrophe thứ hai chỉ đơn giản là lỗi gõ, còn điểm đầu thì việc dùng en dash là hoàn toàn đúng và nhìn cũng đẹp Như ví dụ trên Wikipedia, en dash được dùng để thể hiện mối quan hệ, và việc bài viết cũng như tweet nhất quán dùng en dash là điều gây ấn tượng tham khảo Wikipedia về en dash

    • Nếu là người Thụy Điển thì việc xử lý dấu apostrophe tiếng Anh không quen tay, nên khi viết tiếng Anh rất dễ mắc lỗi, và chiều ngược lại cũng vậy

    • Ngày nay hầu như không còn mấy ai biết sự khác nhau giữa hyphen, en dash và em dash, lại thêm lỗi phát sinh do phông chữ và bộ ký tự thay đổi trong môi trường Internet Cũng không hình thành được quy ước như thời máy đánh chữ: dùng '-' cho hyphen và en dash, còn ' -- ' cho em dash Ảnh hưởng của Microsoft Word cũng khá lớn Còn lỗi apostrophe thì không có gì để bào chữa

  • Về <takumigokoro> của giáo sư Kitagawa (匠心, tâm của người thợ thủ công), câu chuyện Trang Tử mang màu sắc Đạo gia được viện dẫn ở đây cần được giải thích thêm đôi chút Có truyền thuyết kể rằng người thợ mộc Luban rất giỏi làm ra những cấu trúc phức tạp nhưng hữu ích, nhưng vì chỉ theo đuổi tính hữu dụng nên cuối cùng lại không đạt được sự bất tử tối hậu mà mình mong muốn Trang Tử cho rằng Luban đã không nhận ra “cái hữu dụng của sự vô dụng”, nhưng trên thực tế Luban lại được các nghệ nhân tôn thờ như một vị thần

  • Cách ngầu nhất để thiết kế vật liệu bằng hóa học hữu cơ là tự thiết kế các khối Lego nhỏ của riêng mình, rồi để chúng tự lắp ráp thành những cấu trúc cực lớn

    • Đùa rằng tự nhiên đã biết cách đó từ 500 triệu năm trước rồi

  • Nếu được ứng dụng thực tế đúng như kỳ vọng, thì các lĩnh vực ứng dụng của MOF sẽ thật sự rất đáng kinh ngạc

    • Nếu có thể lấy nước từ không khí ngay cả trong sa mạc thì đó sẽ là thay đổi cực lớn, dù cũng khiến người ta tự hỏi liệu không khí có bị khô quá không, nhưng chắc là vẫn có thể kiểm soát được

    • Có thể giải quyết vấn đề khí nhà kính bằng cách lưu trữ CO2 dưới lòng đất, mà ngành khí đốt tự nhiên đã có sẵn công nghệ thu giữ khí Chỉ cần tìm ra cách chỉ thu giữ CO2 tinh khiết từ khí quyển, và người ta kỳ vọng MOF sẽ là công nghệ tốt nhất để hiện thực hóa điều đó

    • Chỉ ra rằng lượng tài nguyên cần để thu giữ CO2 tinh khiết từ khí quyển sẽ khổng lồ hơn nhiều so với tưởng tượng

    • Hỏi liệu công nghệ tách nước từ không khí có thể dẫn tới máy hút ẩm tốt hơn hay không

  • Đơn vị được dùng trong bài khiến tôi thấy khó hiểu Ví dụ như câu “vài gram MOF-5 có diện tích bằng một sân bóng đá”, trong khi gram là đơn vị khối lượng còn sân bóng đá là diện tích hai chiều, nên tôi không hiểu hai thứ đó liên quan gì với nhau Tôi có nghĩ có lẽ là vài gram MOF-5 có thể chứa lượng khí đủ để lấp đầy một không gian cỡ sân bóng đá ở 1 atm, nhưng cảm giác như đang diễn giải quá mức

    • Đây là đang nói về diện tích bề mặt bên trong. Ví dụ, nó giống như việc tính xem 10g phô mai Thụy Sĩ có tổng diện tích bề mặt các lỗ bên trong là bao nhiêu

    • Hãy tưởng tượng một tấm chăn cực mỏng cỡ sân bóng đá bị vo lại thành một quả bóng rất nhỏ, như vậy sẽ dễ hiểu hơn