Tác giả: HUSTA reviewer
Stockholm, Thụy Điển – Một thành tựu khoa học lịch sử đã được ghi nhận khi Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao giải Nobel Hóa học 2025 cho ba nhà nghiên cứu tiên phong: Susumu Kitagawa (Đại học Kyoto), Richard Robson (Đại học Melbourne), và Omar M. Yaghi (Đại học California, Berkeley) vì sự phát triển của khung hữu cơ kim loại (metal-organic frameworks – MOFs). Những vật liệu tinh thể có cấu trúc xốp đặc biệt này được tạo thành từ các nút kim loại và các liên kết hữu cơ, tạo ra không gian bên trong rộng lớn và các kênh cho phép các phân tử di chuyển, phản ứng, được tách biệt hoặc được lưu trữ.
Những khám phá này không chỉ mang lại bước ngoặt trong khoa học vật liệu mà còn mở ra con đường cho việc giải quyết các thách thức toàn cầu cấp bách như biến đổi khí hậu, khan hiếm nước ngọt, và ô nhiễm môi trường.
Ba kiến trúc sư của thế giới phân tử
Giải Nobel Hóa học 2025 vinh danh ba nhà khoa học đã cách mạng hóa kiến trúc phân tử bằng cách tạo ra những cấu trúc có các phòng để thực hiện hóa học.
Susumu Kitagawa: người tiên phong về tính linh hoạt của MOF
Giáo sư Susumu Kitagawa tại Đại học Kyoto được công nhận là người đi đầu trong lĩnh vực polyme phối trí xốp và đã chứng minh rằng các chất rắn phối trí có thể có tính xốp vĩnh viễn và linh hoạt. Kitagawa đã phát hiện ra hiện tượng “thở” của MOF – khả năng thay đổi kích thước lỗ xốp một cách động trong quá trình hấp thụ và giải hấp khí, mở rộng chức năng của MOF từ những tấm sàng cứng nhắc thành một nền tảng vật liệu tổng quát.
Công trình của ông đã xây dựng tính ổn định và chức năng vào các khung đầu tiên, chứng minh việc lưu trữ khí thực tế và tính xốp động, biến MOF từ những vật liệu tò mò thành một nền tảng vật liệu có ứng dụng thực tế.
Richard Robson: người đặt nền móng kiến trúc
Giáo sư Richard Robson tại Đại học Melbourne đã đặt nền móng kiến trúc cho lĩnh vực này vào năm 1989 bằng cách thiết kế các mạng phối trí giống kim cương – một bản thiết kế sớm cho các khung mở rộng tuần hoàn. Robson đã thử nghiệm việc sử dụng các tính chất cố hữu của nguyên tử theo một cách mới, kết hợp các ion đồng tích điện dương với một phân tử bốn nhánh có nhóm hóa học bị hút bởi ion đồng ở cuối mỗi nhánh.
Khi được kết hợp, chúng liên kết để tạo thành một tinh thể có trật tự, rộng rãi giống như kim cương chứa đầy những khoang vô số. Chiến lược thiết kế mạng của Robson đã thúc đẩy kỷ nguyên hiện đại của polyme phối trí/MOF, sau này được làm ổn định và đa dạng về chức năng bởi Kitagawa và Yaghi.
Omar M. Yaghi: cha đẻ của hóa học lưới
Giáo sử Omar M. Yaghi tại Đại học California, Berkeley, được biết đến như người sáng lập hóa học lưới – việc ghép nối kiểu Lego các khối xây dựng phân tử thành các khung tinh thể với độ chính xác ở cấp độ nguyên tử. Yaghi đã tạo ra các MOF mang tính biểu tượng với diện tích bề mặt cao (ví dụ: MOF-5) và mở rộng ý tưởng này sang COF (Covalent Organic Frameworks).
Ông đã chứng minh tính xốp kỷ lục và các lỗ xốp/hóa học có thể điều chỉnh chính xác, tạo điều kiện cho việc hấp thụ và tách khí nổi bật, đồng thời truyền cảm hứng cho các thiết bị như máy thu hoạch nước thụ động từ không khí khô cằn. Công trình của Yaghi đã biến một hiện tượng vật lý thú vị thành công cụ công nghệ có thể lập trình.
Tại sao lĩnh vực này thắng giải năm 2025
Bước đột phá khoa học cơ bản
MOF đã chuyển đổi cấu trúc-chức năng theo thiết kế trong các chất rắn xốp, chuyển từ các chất hấp thụ theo kinh nghiệm (zeolite, carbon) sang kiến trúc có thể lập trình với kích thước lỗ xốp, hình dạng và hóa học được thiết lập ngay từ giai đoạn bản vẽ. Khác với các vật liệu xốp truyền thống, MOF cho phép các nhà khoa học thiết kế chính xác cấu trúc và tính chất của chúng ở cấp độ nguyên tử, tạo ra một nền tảng vật liệu hoàn toàn mới.
Điểm đặc biệt của MOF nằm ở khả năng điều chỉnh của chúng – bằng cách chọn các nút kim loại với hoạt tính khác nhau và một loạt các liên kết hữu cơ đa dạng, các nhà khoa học có thể xây dựng các cấu trúc và đặc tính khác nhau của MOF. Sự linh hoạt này cho phép tạo ra các thành phần định hướng chức năng cụ thể.
Tầm quan trọng thời điểm 2025
Việc trao giải Nobel cho MOF vào năm 2025 phản ánh sự cấp bách của cuộc khủng hoảng khí hậu toàn cầu và nhu cầu về các công nghệ đột phá để đạt được mục tiêu net zero vào năm 2050. MOF đại diện cho một trong những công nghệ hứa hẹn nhất để thu giữ carbon ở quy mô công nghiệp, với khả năng góp phần đáng kể vào việc giảm phát thải CO₂ và thậm chí loại bỏ carbon đã có trong khí quyển.
Các ứng dụng đã được chứng minh và thí điểm bao gồm thu giữ CO₂, khắc phục PFAS/chất ô nhiễm, lưu trữ khí độc, bảo quản trái cây/thực phẩm, lưu trữ khí cấp bán dẫn, thu hoạch nước, và các phép tách chọn lọc giúp giảm sử dụng năng lượng trong sản xuất hóa chất.
Sự chín muồi của công nghệ
Năm 2025 đánh dấu thời điểm MOF chuyển từ nghiên cứu phòng thí nghiệm sang ứng dụng thương mại quy mô lớn. BASF đã trở thành công ty đầu tiên trên thế giới sản xuất thành công MOF ở quy mô thương mại với sản lượng vài trăm tấn mỗi năm cho thu giữ carbon. Điều này chứng tỏ MOF đã vượt qua giai đoạn nghiên cứu cơ bản để trở thành một công nghệ khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật.
Cơ chế hoạt động và tính năng đặc biệt
Cấu trúc độc đáo của MOF
MOF được hình thành từ các ion kim loại vô cơ hoặc cụm và các liên kết hữu cơ được kết nối thông qua liên kết phối trí với các mức độ kết nối khác nhau. Không giống như các vật liệu xốp vô cơ truyền thống như silicate xốp và sàng phân tử, MOF sở hữu cấu trúc cực kỳ thích ứng.
Cấu trúc ba chiều của MOF, bao gồm kích thước lỗ xốp và loại lỗ xốp, có thể điều chỉnh dựa trên việc lựa chọn liên kết và nút kim loại. Bằng cách sử dụng các cơ chế bẫy khác nhau, bao gồm tách sàng phân tử, tương tác chủ-khách và khuếch tán động học, MOF với các kích thước lỗ xốp riêng biệt từ vi lỗ xốp đến meso lỗ xốp có thể được tổng hợp thuận tiện bằng cách sửa đổi chiều dài của liên kết hoặc chức năng hóa các nút và liên kết vô cơ.
Diện tích bề mặt đáng kinh ngạc
MOF sở hữu diện tích bề mặt riêng biệt và độ xốp cao hơn đáng kể so với các vật liệu xốp khác. Diện tích bề mặt cụ thể có thể lên tới 10.000 m²/g và độ xốp lên đến 90%, mang lại phạm vi đáng kể cho sự phát triển trong lưu trữ khí, hấp thụ và tách biệt, xúc tác, cảm biến và các lĩnh vực khác.
Để hình dung được quy mô này, diện tích bề mặt của 1 gram một số MOF có thể so sánh với một sân bóng đá (khoảng 5351 m²). Các vật liệu kỷ lục như NU-109 và NU-110 có diện tích bề mặt lên tới 7.000 m²/g, có nghĩa là diện tích bề mặt bên trong của chỉ một gram vật liệu mới có thể bao phủ một sân bóng đá rưỡi.
Cơ chế hấp thụ đa dạng
Quá trình hấp thụ trên MOF có thể xảy ra thông qua các loại tương tác khác nhau giữa MOF và các chất bị hấp thụ, chẳng hạn như liên kết kim loại-chất bị hấp thụ phối trí, lực tĩnh điện, liên kết hydro, xếp chồng π-π và ái lực kỵ nước. Hơn nữa, các nhóm chức năng đặc biệt trên liên kết có thể được đưa vào để điều chỉnh khả năng hấp thụ các loại khác nhau của MOF.
Các nhóm chức năng này có thể hoạt động như các vị trí hấp thụ các loài đa dạng mà nếu không thì không thể bị hấp thụ bởi các lớp chất hấp thụ khác. Theo lý thuyết axit-bazơ cứng và mềm (HSAB), các ion axit mềm như ion bạc thể hiện xu hướng phối trí chọn lọc với các nhóm chức năng bazơ mềm.
Khả năng tái tạo và ổn định
MOF có khả năng tái tạo thông qua việc loại bỏ các chất phân tích khỏi khung MOF, do đó chuẩn bị cho chu kỳ hấp thụ hoặc phản ứng tiếp theo. Quá trình này có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào tính chất của chất bị hấp thụ và MOF.
Nhiệt độ, áp suất và độ ẩm đóng vai trò quan trọng trong quá trình tái tạo, đặc biệt đối với chất bị hấp thủ có ái lực cao đối với chất hấp thụ. MOF với nhiệt hấp thụ đẳng áp thấp hơn hiển thị hiệu quả giải hấp tốt hơn, từ đó dẫn đến quá trình tái chế hiệu quả hơn.
Ứng dụng trong thu giữ carbon và mục tiêu net zero
Thu giữ carbon ở quy mô công nghiệp
MOF cung cấp một giải pháp linh hoạt cho thu giữ carbon, với các ứng dụng trải dài trên nhiều giai đoạn khác nhau của quy trình. Trong thu giữ sau đốt cháy, khí thải chứa đầy CO₂ đi qua các vật liệu dựa trên MOF, nơi các MOF chọn lọc hấp thụ CO₂, giảm đáng kể lượng khí thải.
Khả năng thu giữ CO₂ của MOF từ các hỗn hợp khí khác nhau phụ thuộc vào các tính chất vốn có của chúng và thuộc tính của hỗn hợp khí. Qua hai thập kỷ qua, các cấu trúc tô pô đa dạng và MOF định hướng chức năng đã được tổng hợp, dẫn đến sự hình thành các nhánh vật liệu khác nhau, bao gồm khung đẳng cấu trúc (IRMOF), khung imidazolate zeolitic (ZIF), khung vật liệu của viện Lavoisier (MIL) và mạng phối trí xốp (PCN).
BASF: Cột mốc thương mại hóa
BASF đã trở thành công ty đầu tiên sản xuất thành công khung hữu cơ kim loại ở quy mô thương mại với quy mô sản xuất vài trăm tấn mỗi năm. Dự án đầu tiên đã được hoàn thành thành công cho nhà cung cấp giải pháp thu giữ và loại bỏ carbon của Canada, Svante Technologies Inc..
Nhóm liên ngành của BASF gồm các nhà nghiên cứu, chuyên gia mở rộng quy mô và kỹ sư đã làm việc cộng tác trong việc mở rộng quy mô bằng cách chuyển đổi công thức phòng thí nghiệm của Svante thành quy trình nhà máy an toàn cho sản xuất quy mô lớn. MOF được sản xuất sẽ được sử dụng làm chất hấp thụ rắn cho các dự án thu giữ carbon.
Sự hợp tác với Svante sẽ giúp giảm đáng kể lượng phát thải carbon trong các ngành công nghiệp khác nhau bao gồm hydro, giấy và bột giấy, xi măng, thép, nhôm và hóa chất. MOF sorbent có thể thu giữ lên tới 95% CO₂ phát thải từ các nguồn công nghiệp.
Công nghệ thu giữ không khí trực tiếp (DAC)
Thu giữ không khí trực tiếp (DAC) sử dụng MOF để thu giữ CO₂ ở nồng độ thấp, với MOF được thiết kế để có khả năng thu giữ cao. DAC được định nghĩa là một công nghệ tái tạo phương tiện thu giữ trong vòng lặp kín và/hoặc sử dụng bộ tiếp xúc không khí cơ học để tách hóa học hoặc vật lý carbon dioxide trực tiếp từ bầu khí quyển môi trường ngoài trời hoặc trong nhà mà không phụ thuộc vào nồng độ carbon dioxide cao hơn mức trung bình do các nguồn điểm phát thải gần đó gây ra.
MOF thể hiện các đặc tính đặc biệt như diện tích bề mặt cao và độ xốp có thể điều chỉnh, làm cho chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho việc thu giữ CO₂ hiệu quả. Việc thương mại hóa công nghệ DAC ngày càng khả thi do những đột phá gần đây trong vật liệu MOF và các phương pháp kỹ thuật sáng tạo.
Cơ chế tương tác với CO₂
MOF với các vị trí kim loại mở thể hiện ái lực đối với moment tứ cực lớn hơn và khả năng phân cực lớn hơn đối với CO₂ so với N₂. Chính những vị trí mở này dẫn đến việc hấp thụ CO₂ cao. Hơn nữa, sự khác biệt về cường độ giữa CO₂ và các phân tử khí khác là động lực cho việc thu giữ CO₂.
Các vị trí kim loại kiềm chưa bão hòa đã được báo cáo được neo trong MOF bằng cách tạo mẫu dựa trên tetrazolium để cải thiện ái lực khí. Ví dụ, trong NKU-521, các cation K⁺ được nhúng hiệu quả vào mẫu phối trí Co²⁺-tetrazolium ba nhân. Các vị trí K⁺ được nhúng đã được phơi bày trong các lỗ xốp của NKU-521 bằng cách khử nước, và nhiệt hấp thụ đẳng áp của CO₂ tăng lên 41 kJ mol⁻¹.
Đóng góp vào mục tiêu net zero
MOF đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được các mục tiêu net zero vào năm 2050. Để giữ cho sự nóng lên toàn cầu không quá 1,5°C – như được kêu gọi trong Thỏa thuận Paris – lượng phát thải cần được giảm 45% vào năm 2030 và đạt net zero vào năm 2050.
Việt Nam đã công bố mục tiêu đạt net zero vào năm 2050 trong Hội nghị Thượng đỉnh Lãnh đạo Thế giới COP26 năm 2021. Trong Chiến lược Quốc gia về Biến đổi Khí hậu, chính phủ đặt giới hạn tổng phát thải là 185 MtCO₂e vào năm 2050, với việc bù đắp các phát thải còn lại bằng việc loại bỏ từ khu vực sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp (LULUCF).
Taiwan cũng đã chính thức công bố “Lộ trình Việt Nam hướng tới Phát thải Net-Zero vào năm 2050” vào tháng 3 năm 2022, cung cấp quỹ đạo và con đường hành động đến năm 2050. Lộ trình này dựa trên 4 chiến lược chuyển đổi chính là “chuyển đổi năng lượng”, “chuyển đổi công nghiệp”, “chuyển đổi lối sống” và “chuyển đổi xã hội”.
Ứng dụng đa dạng của MOF
Thu hoạch nước từ không khí
MOF đã chứng minh khả năng thu hoạch nước từ không khí với hiệu quả cao. Công nghệ này đặc biệt quan trọng đối với các khu vực khan hiếm nước, nơi MOF có thể hoạt động như máy thu hoạch nước thụ động từ không khí sa mạc.
Các hệ thống thu hoạch nước từ không khí dựa trên MOF được tối ưu hóa cho chu kỳ ngày đêm trong khí hậu khô cằn, có thể được tích hợp vào các tòa nhà để cung cấp nước uống không cần lưới điện. Nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc xác định khởi đầu của quá trình thu hoạch nước trong vật liệu lưới.
Loại bỏ PFAS và khắc phục môi trường
MOF được thiết kế đặc biệt để loại bỏ PFAS (per- and polyfluoroalkyl substances) và các con đường phân hủy xúc tác/quang xúc tác. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh hiệu quả của MOF trong việc loại bỏ PFAS từ nước thải và xử lý môi trường.
MOF cũng được sử dụng để loại bỏ chọn lọc các dư lượng dược phẩm và các chất ô nhiễm khác từ môi trường. Khả năng điều chỉnh chính xác cấu trúc và tính chất hóa học của MOF cho phép thiết kế các vật liệu chuyên biệt cho từng loại chất ô nhiễm cụ thể.
Lưu trữ hydro và khí tự nhiên
MOF thể hiện tiềm năng lớn trong lưu trữ hydro và khí tự nhiên. Lưu trữ năng lượng lâu dài sử dụng hydro trong MOF đã được chứng minh là một giải pháp khả thi. MOF có thể lưu trữ hydro với mật độ cao và cho phép giải phóng nhanh chóng khi cần thiết.
Đối với khí tự nhiên, MOF như MOF-5, MOF-177 và SNU-70 đã chứng minh tính chọn lọc hấp thụ cao cho hỗn hợp metan và etan (95:5) mô phỏng khí tự nhiên. Khả năng này làm cho MOF trở thành ứng cử viên lý tưởng cho việc lưu trữ và vận chuyển khí tự nhiên an toàn và hiệu quả.
Y học và phân phối thuốc
MOF đang được nghiên cứu rộng rãi như các thiết bị phân phối thuốc ở quy mô nano. Các ứng dụng y sinh của MOF bao gồm phân phối thuốc có kiểm soát, hình ảnh y học và điều trị ung thư.
Cấu trúc xốp của MOF cho phép tải thuốc với hiệu quả cao và giải phóng có kiểm soát. Tính chất có thể điều chỉnh của MOF cho phép thiết kế các hệ thống phân phối thuốc chuyên biệt cho các ứng dụng y học cụ thể.
Xúc tác và điện xúc tác
MOF được sử dụng rộng rãi như chất xúc tác và chất mang xúc tác trong nhiều phản ứng hóa học. Khả năng thiết kế các vị trí hoạt tính trong các lỗ xốp cho phép tạo ra các chất xúc tác có tính chọn lọc cao cho các phản ứng cụ thể.
Trong điện xúc tác, MOF được sử dụng để chuyển đổi CO₂, tổng hợp hóa chất tinh và vận chuyển ion/điện tử trạng thái rắn (phụ trợ pin và tế bào nhiên liệu). Các MOF có thể được thiết kế với các đặc tính điện tử cụ thể để tối ưu hóa hiệu suất xúc tác.
Triển vọng tương lai và thách thức
Xu hướng nghiên cứu và phát triển 2026
Năm 2026 dự kiến sẽ chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của MOF trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. Nhu cầu về MOF được dự báo tăng gấp 50 lần vào năm 2030, được thúc đẩy bởi ba ứng dụng chính: thu giữ carbon, thu hoạch nước và tách khí.
Các xu hướng chính trong ngành hóa chất và vật liệu năm 2025-2026 bao gồm tính bền vững, công nghệ xanh, kinh tế tuần hoàn và vật liệu tiên tiến. MOF đóng vai trò quan trọng trong tất cả các xu hướng này, đặc biệt trong việc phát triển các giải pháp bền vững cho thu giữ carbon và khắc phục môi trường.
Tích hợp học máy và trí tuệ nhân tạo
Sự phát triển của các trường lực học máy đã thúc đẩy việc sàng lọc hơn 8.000 cấu trúc MOF, xác định các ứng cử viên tối ưu cho các ứng dụng DAC. Tích hợp học máy vào thiết kế MOF cho phép tối ưu hóa nhanh chóng các tính chất vật liệu để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể.
Framework tăng cường học tập dựa trên transformer đã được phát triển để thiết kế de novo của MOF. Khung này có thể tự động tạo ra các cấu trúc MOF mới với các tính chất mong muốn, đặc biệt là cho việc thu giữ CH₄ và CO₂.
Thách thức về mở rộng quy mô và chi phí
Mặc dù BASF đã thành công trong việc sản xuất MOF ở quy mô thương mại, vẫn còn nhiều thách thức về mở rộng quy mô và giảm chi phí sản xuất. Việc sản xuất MOF theo các nguyên tắc hóa học xanh và quy trình nhiệt độ thấp là những yếu tố quan trọng để đảm bảo tính bền vững kinh tế và môi trường.
Nghiên cứu tổng hợp xanh và mở rộng quy mô MOF cho thu hoạch nước đang được phát triển để giảm tác động môi trường và chi phí sản xuất. Việc sử dụng các tiền chất tái tạo cho nút kim loại và liên kết hữu cơ cũng đang được nghiên cứu để tạo ra MOF thân thiện với môi trường hơn.
Kết luận
Giải Nobel Hóa học 2025 không chỉ vinh danh một khám phá khoa học vĩ đại mà còn công nhận tiềm năng to lớn của MOF trong việc giải quyết các thách thức toàn cầu cấp bách nhất hiện nay. Từ thu giữ carbon để chống biến đổi khí hậu đến thu hoạch nước trong sa mạc, từ khắc phục ô nhiễm môi trường đến cách mạng hóa y học, MOF đại diện cho một bước đột phá trong khoa học vật liệu với tiềm năng ứng dụng không giới hạn.
Công trình của Kitagawa, Robson và Yaghi đã mở ra một kỷ nguyên mới trong đó các nhà khoa học có thể thiết kế và chế tạo vật liệu với độ chính xác nguyên tử để đáp ứng các nhu cầu cụ thể. Với sự chín muồi của công nghệ sản xuất quy mô thương mại và sự tích hợp của trí tuệ nhân tạo trong thiết kế vật liệu, MOF hứa hẹn sẽ đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng một tương lai bền vững và giúp nhân loại đạt được mục tiêu net zero vào năm 2050.
