Giải Nobel Hóa học 2025 & Ứng dụng

 

 

Lời người viết: Sau khi nhận được tin ba nhà khoa học nhận được giải Nobel Hóa học 2025, người viết với khả năng giới hạn, cố gắng truy tìm, góp nhặt cát đá… trên các mạng. Từ đó, tìm hiểu thêm về phương pháp ứng dụng “Bô khung kim loại-hữu cơ – Metal-organic frameworks”, chia sẻ cùng bà con xa gần. Đây có thể là một phương pháp tối ưu nhằm mục đích hạn chế sự phát thải thán khí – khí carbonic, nguyên nhân chính trong sự hâm nóng toàn cầu.

 

 

Trong buổi phái giải Nobel Hóa học ngày 6/10/2025 tại Thụy Điển, Ông Heiner Linke, chủ tịch Hội đồng Nobel về Hóa học, có nhận xét:”Bộ khung kim loại-hữu cơ – Metal-organic frameworks” có tiềm năng khổng lồ, mang đến nhiều cơ hội chưa từng thấy để tùy chỉnh vật liệu với nhiệm vụ mới".

Cấu trúc phân tử mới nầy còn gọi là bộ khung kim loại - hữu cơ (MOF) đã được ứng dụng nhiều trong thực tế như: thu thập nước từ không khí trên sa mạc, thu giữ carbon dioxide trong không khí, lưu trữ khí độc hoặc xúc tác phản ứng hóa học loại bỏ chất ô nhiễm trong nước...mỗi khi thay đổi hợp kim kim loại trong từng mục tiêu.

Vào năm 1989, Richard Robson thử tận dụng những đặc tính vốn có của nguyên tử theo cách mới. Ông kết hợp ion đồng (Copper – Cu⁺⁺ - điện tích dương) với một phân tử 4 cánh, khiến ion đồng bị hút vào đầu mỗi cánh. Sau khi kết hợp, chúng dính chặt và tạo thành tinh thể rỗng có trật tự giống viên kim cương chứa vô số khoang rỗng.

Robson lập tức nhận ra tiềm năng của cấu trúc phân tử mới nhưng nó kém ổn định và dễ dàng sụp đổ. Tuy nhiên, Susumu Kitagawa và Omar Yaghi đã cung cấp nền tảng vững chắc cho phương pháp kiến tạo này.

Từ năm 1992 đến năm 2003, mỗi nhà nghiên cứu độc lập tạo ra hàng loạt phát hiện mang tính cách mạng. Kitagawa chứng minh khí gas có thể chảy qua cấu trúc và dự đoán có thể tạo ra MOF một cách linh hoạt. Yaghi tạo ra một loại MOF ổn định và chỉ ra có thể biến đổi nó với thiết kế hợp lý để đạt những đặc tính mới theo mong muốn.

Tiếp nối những phát hiện đột phá của ba nhà khoa học đoạt giải, các nhà hóa học đã chế tạo hàng chục nghìn MOF khác nhau. Trong đó, một số có thể góp phần giải quyết những thách thức lớn nhất của nhân loại, với các ứng dụng như tách PFAS (một hóa chất độc hại được xếp loại trong 12 hóa chất độc hại, đứng trên cả Dioxin) ra khỏi nước, phân hủy dấu vết dược phẩm trong môi trường, thu giữ CO2 hoặc thu nước từ không khí sa mạc.

Khung kim loại - hữu cơ hay khung cơ kim là một loại hợp chất bao gồm các ion hoặc cụm kim loại kết hợp với các phối tử hữu cơ để tạo thành cấu trúc một, hai hoặc ba chiều. Điểm đặc biệt của loại vật liệu này nằm ở độ xốp cực cao, đồng thời có thể biến đổi linh hoạt cả thành phần kim loại lẫn phối tử hữu cơ liên kết với chúng trong cấu trúc khung.

1-    Cấu trúc khung kim loại-hữu cơ (MOF — Metal-Organic Frameworks) là gì?

MOF là một lớp vật liệu rắn, tinh thể, có cấu trúc “khung (framework)” ba chiều mà trong đó các ion kim loại (hoặc cụm kim loại) đóng vai trò như “nút (nodes)” kết nối với các mole­cule hữu cơ nối (organic linkers, ligands) qua liên kết phối hợp (coordination bond như cầu nối Van der Waals). ScienceDirect+3Wikipedia+3Chemistry Europe+3

Kết quả của sự lắp ghép này là một mạng lưới tinh thể rỗng, chứa các khoang (pores) hoặc lỗ rỗng nội tại mà các phân tử khác (như khí, dung môi) có thể đi vào hoặc bị giữ lại. Nature+4American Chemical Society Publications+4ScienceDirect+4

Những khoảng rỗng này có thể chiếm đến hơn 90 % thể tích của MOF (tức là vật liệu rất “xốp”) và các bề mặt bên trong của khung có diện tích rất lớn (có thể vượt vài nghìn m² trên mỗi gram vật liệu) American Chemical Society Publications+2ScienceDirect+2

Vì cấu trúc “hai thành phần” (kim loại + liên kết hữu cơ), MOF thường được coi là vật liệu lai tạo vô cơ-hữu cơ - hybrid inorganic–organic. ScienceDirect+2Nature+2

2-    Thành phần cấu trúc chi tiết

Để hiểu rõ hơn, ta có thể phân tích cấu trúc MOF theo các cấp độ:

Về Thành phần gồm có:

·       Ion kim loại hoặc cụm kim loại (Metal nodes/Secondary Building Units – SBUs).  Đây là các nút kết nối, chịu trách nhiệm về hình học phối hợp (số liên kết, hướng liên kết). Ví dụ: Có thể là ion đơn (Zn²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺, …) hoặc cụm (ví dụ Zn₄O).       Chemistry Europe+6Wikipedia+6ResearchGate+6.

·       Liên kết hữu cơ (Organic linker / ligand / bridging ligand) có nhiệm vụ kết nối các nút kim loại lại với nhau để tạo nên mạng lưới. Các liên kết nầy thường có nhóm chức phối hợp như -COO⁻, -NH₂, -N, -OH, các acid carboxylic, hợp chất dị vòng, v.v. Nature+5ResearchGate+5ScienceDirect+5.

Về các Lỗ rỗng/Khoang (pores, cavities) là phần không gian rỗng bên trong khung thường có kích thước lỗ rỗng có thể từ kích thước nano (micropores) đến meso-/macro-pores tuỳ thiết kế,  American Chemical Society Publications+4ScienceDirect+4ResearchGate+4

3-    Những đặc điểm nổi bật và thách thức cấu trúc

Tính đa dạng cấu trúc: Chính vì có rất nhiều loại ion kim loại, nhiều loại ligand hữu cơ, và nhiều cách phối hợp giữa chúng, số lượng sản xuất MOF với nhiều nhiệm vụ khác nhau rất lớn. Mỗi tổ hợp ion - ligand có thể dẫn tới hình dạng lỗ rỗng, độ ổn định, kích thước, và tính chất khác nhau. Chemistry Europe+3ResearchGate+3Wikipedia+3. Từ đó, các nhà khoa học có thể phân loại và chế tạo MOF theo mạng tinh thể - topology, tức khoảng cách các nút và liên kết nối thành lưới. American Chemical Society Publications+3Wikipedia+3Chemistry Europe+3

Một trong các thách thức lớn trong nghiên cứu MOF là làm thế nào để khung ổn định, đặc biệt trong điều kiện môi trường (nước, nhiệt độ thay đổi, pH, v.v.).

Khi mới bắt đầu, nhiều MOF “rỗng” nhưng dễ phân hủy hoặc mất cấu trúc khi tiếp xúc với độ ẩm hoặc dung môi. NobelPrize.org+2ScienceDirect+2

Qua nhiều năm nghiên cứu, ba khoa học gia đã xây dựng MOF với cấu trúc phân cấp, tức là có nhiều cấp độ kích thước lỗ từ nhỏ đến lớn, hoặc kết hợp nhiều module MOF làm tổ hợp nhằm tối ưu khả năng khuếch tán, vận chuyển hoặc kích thước cần đạt cho ứng dụng đa chức năng. American Chemical Society Publications+2ScienceDirect+2

Cấu trúc phân cấp trên giúp khắc phục hạn chế của các lỗ quá nhỏ (gây trở ngại khuếch tán) hoặc quá lớn (mất chọn lọc). American Chemical Society Publications+2ScienceDirect+2.

Qua sự cải tiến của các nhà khoa học như Susumu Kitagawa đã tạo ra các MOF có độ ổn định cao hơn, giữ được cấu trúc khi chứa khí hoặc khi xúc tác trong dung môi. NobelPrize.org. Từ đó, cộng thêm việc lựa chọn ion kim loại có khả năng liên kết chắc, chọn ligand phù hợp, và kiểm soát điều kiện tổng hợp là rất quan trọng để tạo khung vừa “mở” vừa bền. ResearchGate+3PubMed Central+3ScienceDirect+3.

Tat cả các giải đáp cho các thử thách đã mang lại thành quả cho ba nhà khoa học là… chiếm đoạt giải khôi nguyên Nobel Hóa học 2925.

4-    Liên quan đến giải Nobel Hóa học 2025

Theo thông báo chính thức từ Ủy ban Nobel, phần thưởng năm 2025 được trao cho Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar Yaghi vì phát triển kiến trúc phân tử mới, tức các MOF. Royal Society+3NobelPrize.org+3NobelPrize.org+3

Một số điểm nổi bật liên quan đến cấu trúc:

• Robson là người đi tiên phong trong việc thiết kế mạng tinh thể dựa trên ý tưởng “diamond-type nets” (mạng kiểu kim cương), nhưng các cấu trúc ban đầu còn yếu, dễ sụp đổ. NobelPrize.org+2Chemistry World+2
• Kitagawa sau đó tiếp tục cải thiện mặt ổn định và khả năng cho phép khí lưu thông trong khung MOF. NobelPrize.org
• Yaghi đóng góp trong việc tinh chỉnh “lắp ghép Lego phân tử” để tạo ra MOF có độ chính xác cao hơn và khả năng hấp phụ khí tốt hơn. Chemistry World+2NobelPrize.org+2

Bản tin đơn giản hóa giải thích rằng “ion kim loại là các viên đá góc, được nối bằng những phân tử hữu cơ dài để tạo tinh thể có khoang lớn bên trong.” NobelPrize.org

Như vậy, cấu trúc MOF chính là điểm trung tâm của phát minh: tạo ra “khung phân tử” có thể tùy chỉnh, ổn định và có thể hấp phụ (adsorption) hoặc chứa các phân tử khác, mở ra các ứng dụng như bắt CO₂, thu nước từ không khí, lưu trữ khí, lọc hóa chất độc hại, v.v. Reuters+2AP News+2.

5- “Nhốt” thán khí (CO₂ ) - Cấu trúc căn bản

MOFs là mạng lưới tinh thể gồm các ion kim loại (metal nodes) được nối với các phân tử hữu cơ (organic linkers). Sự kết hợp này tạo nên một khung xốp 3 chiều (porous framework) có:

• Diện tích bề mặt cực lớn (lên đến hàng nghìn m²/g),
• Các lỗ xốp (pores) có kích thước điều chỉnh được ở mức nanomet,
• Và tính chọn lọc hóa học cao đối với các loại phân tử khí khác nhau.

5.1-         Cơ chế “nhốt” CO₂

Khi khí CO₂ đi qua vật liệu MOF:

-        Các phân tử CO₂ khuếch tán vào những lỗ xốp của mạng tinh thể.

-        Bên trong, các bề mặt MOF có nhóm chức phân cực (như –NH₂, –OH, hoặc –COOH) sẽ hút tĩnh điện các phân tử CO₂ (vốn có moment lưỡng cực nhỏ).

-        CO₂ bị giữ lại tạm thời bằng các lực Van der Waals hoặc liên kết hydro yếu, không phải bằng phản ứng hóa học. Do đó, CO₂ có thể được phóng thích lại khi tăng nhiệt hoặc giảm áp suất, giúp cho việc tái sử dụng MOF nhiều lần.

 

5.2-         Một thí dụ cụ thể: MOF-74 (Mg-MOF-74)

• Thành phần: Ion Mg²⁺ liên kết với 2,5-dihydroxyterephthalic acid.
• Đặc điểm: Có lỗ xốp đường kính ~11 Å, và Mg²⁺ để trần (chưa bị che phủ). Chính MOF nầy có tính ái lực (affinity) với CO₂ rất cao.

·        Ứng dụng: Hấp thu CO₂ cao gấp 6–8 lần than hoạt tính. MOF nầy còn có thể phân biệt CO₂ với N₂ hoặc CH₄, nên được dùng trong lọc khí thải công nghiệp.

MOFs như MOF-74 hay HKUST-1 giúp:

Bắt giữ CO₂ từ khói lò nhà máy hoặc từ không khí (Direct Air Capture).

Tái sinh dễ dàng nhờ cơ chế hấp phụ - giải hấp vật lý qua nhiệt độ cao hay áp suất.

Giảm chi phí năng lượng so với dung dịch amine truyền thống.

Tóm lại, MOFs “nhốt” được CO₂ nhờ các lỗ xốp nano và các vị trí hoạt hóa hóa học trong mạng tinh thể, cho phép CO₂ bị giữ lại bằng lực tương tác yếu nhưng vẫn có thể phóng thích dễ dàng khi cần.

Mai Thanh Truyết

Houston – Tháng 10-2025