Những khối Lego của khoa học và kỷ niệm với Giáo sư Omar Yaghi
Giải Nobel Hóa học năm 2025 được trao cho giáo sư Omar M. Yaghi, cùng giáo sư Susumu Kitagawa và giáo sư Richard Robson, vì những đóng góp nền tảng trong việc phát triển vật liệu khung kim loại–hữu cơ (Metal–Organic Frameworks, MOFs). Công trình của họ được xem là mở ra “một kiểu kiến trúc phân tử hoàn toàn mới”, nơi con người có thể tự tay xây nên những “căn phòng” cho hóa học.
Gíáo sư Robson là người đầu tiên nghĩ đến việc xây dựng mạng tinh thể từ các khối xây dựng (building block) ở cấp độ phân tử. Ông lấy cảm hứng từ cấu trúc kim cương – nơi các nguyên tử carbon liên kết với nhau thành mạng lưới ba chiều trong không gian – và đặt câu hỏi liệu có thể thay thế các liên kết đó bằng các cụm phân tử lớn hơn, như các phức kim loại và ligand hữu cơ, để tạo nên mạng lưới mở hơn. Còn GS. Kitagawa là người phát hiện ra các vật liệu phối trí có tính xốp và “thở” được, tức là có thể hấp phụ rồi nhả các phân tử khách mà vẫn giữ được cấu trúc tinh thể ban đầu. Đây là một bước ngoặt lớn, vì trước đó người ta cho rằng các vật liệu tinh thể dạng phối trí sẽ sụp đổ nếu có khoảng rỗng bên trong.
Nếu như Kitagawa và Robson là những người đặt viên gạch đầu tiên cho các mạng lưới phối trí ba chiều và tính linh hoạt của vật liệu xốp, thì Omar Yaghi là người đã đưa ý tưởng ấy lên tầm khái niệm hóa học tổng quát: hóa học mạng lưới (reticular chemistry). Khái niệm này đã làm thay đổi cách các nhà khoa học suy nghĩ về việc thiết kế vật chất (designability of matter).
Năm 1999, ông và cộng sự lần đầu tiên tổng hợp được MOF-5, một vật liệu có lỗ rỗng lớn và cấu trúc bền vững ngay cả sau khi loại bỏ dung môi, được công bố trên Nature. Thành công này không chỉ chứng minh tính khả thi của ý tưởng “lắp ghép phân tử” để tạo nên vật liệu khung, mà còn đánh dấu bước khởi đầu thực sự của thời đại hóa học mạng lưới trong hóa học hiện đại.
Nếu như Kitagawa và Robson là những người đặt viên gạch đầu tiên cho các mạng lưới phối trí ba chiều và tính linh hoạt của vật liệu xốp, thì Omar Yaghi là người đã đưa ý tưởng ấy lên tầm khái niệm hóa học tổng quát: hóa học mạng lưới (reticular chemistry). Khái niệm này đã làm thay đổi cách các nhà khoa học suy nghĩ về việc thiết kế vật chất (designability of matter).
Thay vì để phản ứng hóa học tự diễn ra rồi mong chờ kết quả, hóa học mạng lưới cho phép ta xây dựng vật liệu từ những đơn vị cấu trúc có hình học được xác định trước, giống như lắp ghép các khối Lego phân tử. Mỗi “nút” kim loại (metal node) và “cầu nối” hữu cơ (organic linker) được tính toán để khớp nhau theo nguyên tắc hình học, từ đó hình thành nên vô số mạng tinh thể có độ bền, kích thước lỗ rỗng và tính năng được kiểm soát chính xác. Vật liệu MOF không chỉ có diện tích bề mặt khổng lồ mà còn có thể tùy chỉnh theo mục đích: lưu trữ khí, bắt giữ CO2, lọc nước, xúc tác hay thu hồi nước từ không khí khô.
Quan trọng hơn, hóa học mạng lưới không chỉ là một phương pháp tổng hợp vật liệu mới mà còn mở ra một tư duy mới trong khoa học vật liệu, nơi vật chất có thể được thiết kế, mô hình hóa và tối ưu một cách có chủ đích. Ngày nay, hàng chục nghìn cấu trúc MOF đã được mô phỏng và dự đoán trên máy tính trước khi tổng hợp thật trong phòng thí nghiệm. Việc “thiết kế được vật chất” này biến hóa học mạng lưới trở thành cầu nối giữa hóa học, vật lý và khoa học tính toán, đặt nền móng cho thế hệ khoa học vật liệu tiên đoán (predictive materials science), nơi cấu trúc, tính chất và chức năng của vật liệu có thể được “lập trình” ngay từ ý tưởng ban đầu.
Tôi có cơ duyên được gặp GS. Omar Yaghi lần đầu khi ông đến thuyết trình tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP.HCM vào năm 2010, khi đó tôi đang là sinh viên năm tư. Trước đó, tôi đã bắt đầu tìm về MOF cho đề tài tốt nghiệp, nên cũng có một số kiến thức cơ bản về loại vật liệu này. Buổi chia sẻ hôm ấy về MOF để lại trong tôi ấn tượng sâu sắc về một cách tiếp cận có trật tự, nơi cấu trúc – hình học – chức năng của vật liệu gắn kết với nhau rất chặt chẽ. Đó cũng là lúc tôi nhận ra rằng nghiên cứu của ông không dừng lại ở việc tổng hợp vật liệu MOF mới và tìm ứng dụng của chúng, mà là mở ra một cách tiếp cận hoàn toàn mới trong việc kiến tạo và xây dựng vật liệu. Đây là một đóng góp rất quan trọng trong ngành khoa học vật liệu và hóa học nói chung vì trước đây việc thiết kế mức độ phân tử trong hóa học chỉ dừng ở việc thiết kế nhóm chức năng như trong hóa học hữu cơ (0D) hay việc thiết kế cấu trúc của dây polymer (1D). Có thể nói, việc có thể thiết kế cả cấu trúc tuần hoàn trong không gian 2D và 3D và cả nhóm chức năng (functional groups) là một cuộc cách mạng trong tư duy hoá học.
Khi phần hỏi – đáp bắt đầu, tôi mạnh dạn đặt một câu hỏi khá chi tiết về cấu trúc tinh thể của vật liệu IRMOF-20 mà tôi đang nghiên cứu vào thời điểm đó, một câu hỏi mà sau này tôi mới nhận ra là mình chưa thật sự hiểu hết. Trong lúc trao đổi, ông mỉm cười và nói đùa: “You said I’m wrong?” (Ý em là tôi sai phải không?) rồi vẫn kiên nhẫn giải thích từng bước, từng khái niệm, cho đến khi người điều phối phải nhẹ nhàng xin phép dừng lại vì hết thời gian.
Tôi cảm thấy áy náy vì sự ngô nghê của mình nên sau buổi nói chuyện, tôi đã gửi cho ông một email xin lỗi vì sự hiểu lầm. Không ngờ chỉ ít lâu sau, tôi đã nhận được hồi âm mà tôi vẫn còn nhớ đến tận bây giờ:
“Dear Mr. Hung,
It is not a problem at all. I welcome your question very much.
I would like to invite you to spend one week in my group to address your questions.”
(Hưng thân mến,
Không vấn đề gì cả. Tôi rất chào đón câu hỏi của em.
Tôi muốn mời em tới nhóm nghiên cứu của tôi một tuần để giải đáp những băn khoăn của em).
Nghiên cứu của GS. Omar Yaghi không dừng lại ở việc tổng hợp vật liệu MOF mới và tìm ứng dụng của chúng, mà là mở ra một cách tiếp cận hoàn toàn mới trong việc kiến tạo và xây dựng vật liệu. Đây là một đóng góp rất quan trọng trong ngành khoa học vật liệu và hóa học nói chung.
Đó là lời mời đầu tiên trong đời tôi từ một nhà khoa học hàng đầu thế giới, chỉ vì một câu hỏi. Khi ấy, GS. Yaghi đang công tác tại Đại học California, Los Angeles (UCLA), nơi nhóm của ông đặt nền móng đầu tiên cho lĩnh vực MOF và hóa học mạng lưới. Chuyến thăm ngắn ngủi đến phòng thí nghiệm UCLA cũng là lần đầu tôi đặt chân đến Mỹ, và chính khoảnh khắc đó khiến tôi nhận ra rằng trong khoa học, điều quan trọng không phải là có sẵn câu trả lời, mà là dám đặt câu hỏi – một điều vốn không quá phổ biến trong môi trường giáo dục ở Việt Nam, nơi sinh viên thường hiếm khi chất vấn hay phản biện ý kiến của giáo sư.
Sau này, khi GS. Yaghi làm việc tại Đại học California, Berkeley (UC Berkeley) – giai đoạn đánh dấu bước phát triển mạnh mẽ của hóa học mạng lưới – tôi có cơ hội tiếp tục theo dõi và học hỏi qua Trung tâm MANAR (Center for Molecular and NanoArchitecture), một liên kết giữa UC Berkeley và Đại học Quốc gia TP.HCM. Trung tâm này nằm trong mạng lưới toàn cầu mà ông sáng lập, trải dài từ Ả Rập Xê Út đến Nhật Bản, với mục tiêu xây dựng một hệ sinh thái khoa học toàn cầu (global science), nơi các quốc gia đang phát triển có thể cùng đóng góp vào những nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực MOF.
Việc thiết kế MOF là sự kết hợp của tinh thể học (crystallography), hóa học cấu trúc (structural chemistry), lý thuyết hấp phụ và topology. Trong đó tinh thể học (crystallography) cung cấp những khái niệm nền tảng về cách các nguyên tử sắp xếp trong không gian – điều đã được nghiên cứu sâu ở các vật liệu vô cơ – từ đó giúp ta hiểu được những mô-típ hình học có thể sử dụng làm “khung xương” cho MOF. Tiếp theo, hóa học cấu trúc (structural chemistry) cho phép ta phân tích và lựa chọn các khối xây dựng (building blocks) sao cho hình học của ligand và cụm kim loại (metal node) phù hợp với nhau, tạo nên mạng tinh thể có hình dạng, cấu trúc (topology) mong muốn. Cuối cùng, lý thuyết hấp phụ (adsorption theory) đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả và dự đoán kích thước, thể tích và phân bố của các lỗ rỗng trong khung MOF – những yếu tố quyết định tính năng như lưu trữ, tách chọn lọc hay xúc tác. Làm việc tại MANAR, tôi được cộng tác cùng nhiều chuyên gia trong mạng lưới của GS. Yaghi – những người đã giúp tôi hiểu sâu hơn về những lĩnh vực này. Chính những kiến thức nền tảng ấy đã trở thành hành trang quý giá, nuôi dưỡng trong tôi niềm say mê với các cấu trúc tinh thể – thứ nghệ thuật ẩn trong khoa học mà GS. Yaghi luôn theo đuổi. Các vật liệu MOF là tạo tác của con người, nơi vị trí của các nguyên tử, phân tử có một trật tự, đối xứng, nhịp điệu nhất định nhưng vẫn thể hiện sự đa dạng vô tận.
Các nhà khoa học đã phát triển những họ MOF siêu bền (ultrastable MOFs), hay chuyển sang thiết kế vật liệu “lai” kết hợp đặc tính của MOF với polymer hoặc oxit kim loại truyền thống. Nhiều ứng dụng như thu hồi CO2, tách khí, lưu trữ hydro hoặc thu nước từ không khí khô đã đạt được kết quả rất khả quan ở quy mô pilot.
Trong những năm tiếp xúc và làm việc qua trung tâm, tôi càng hiểu rõ hơn triết lý khoa học của GS. Yaghi. Ông không xem thất bại là trở ngại mà là một phần thiết yếu của hành trình khám phá. Khi sinh viên hỏi vì sao phản ứng không thành công, ông thường đáp lại:
“How many times did you try? Ten? Then try one hundred. One hundred? Then try one thousand.”
(Em đã thử bao nhiêu lần? Mười lần? Thế thì hãy thử một trăm lần. Một trăm lần rồi? Thế thì hãy thử một nghìn lần nữa).
Câu nói ấy thể hiện rõ tinh thần khoa học mà ông theo đuổi: kiên định, tỉ mỉ và luôn tin rằng chân lý đến từ nỗ lực bền bỉ, không phải từ may mắn. Khi tôi chuyển hướng nghiên cứu sâu hơn về hóa học lượng tử (quantum chemistry), tôi vẫn thường nghĩ về hóa học mạng lưới như một biểu tượng của tư duy có cấu trúc, nơi trật tự, hình học và năng lượng gặp nhau để tạo nên cái đẹp. Lĩnh vực này không chỉ tạo ra vật liệu mới mà còn mở ra một cách nhìn mới: con người có thể “lập trình” vật chất ở cấp độ phân tử, biến những ý tưởng trong đầu thành cấu trúc thật trong không gian.
Phần lớn MOF vẫn ở mức tiềm năng, dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc thử nghiệm ứng dụng, chưa phổ biến ở quy mô công nghiệp. Lý do không phải vì chúng “không tốt”, mà vì MOF là một họ vật liệu quá đa dạng, với hàng chục nghìn cấu trúc khác nhau, nên việc lựa chọn và tối ưu một vài loại thật sự phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể cần rất nhiều thời gian và công sức. Thách thức lớn nhất nằm ở tính ổn định và chi phí. Nhiều MOF kém bền trong môi trường ẩm, axit hoặc bazơ, khiến việc sử dụng ngoài phòng thí nghiệm gặp khó khăn. Ngoài ra, quy trình tổng hợp hiện nay vẫn còn phức tạp và tốn kém, khó mở rộng lên quy mô lớn mà vẫn giữ được tính đồng nhất của vật liệu.
Tuy vậy, nhiều nghiên cứu mới đang dần khắc phục những vấn đề đó. Các nhà khoa học đã phát triển những họ MOF siêu bền (ultrastable MOFs), hay chuyển sang thiết kế vật liệu “lai” kết hợp đặc tính của MOF với polymer hoặc oxit kim loại truyền thống. Nhiều ứng dụng như thu hồi CO2, tách khí, lưu trữ hydro hoặc thu nước từ không khí khô đã đạt được kết quả rất khả quan ở quy mô pilot. Bản thân GS. Yaghi cũng khởi nghiệp với startup Atoco để nỗ lực đưa MOF vào thực tế.
Ngày nay, khả năng mô phỏng và dự đoán cấu trúc MOF trên máy tính đã mở rộng không gian vật liệu gần như vô hạn. Chính khả năng thiết kế và mô hình hóa có chủ đích ấy khiến công trình của GS. Yaghi trở thành nền tảng cho tương lai của khoa học vật liệu, nơi hiểu biết, sáng tạo và công nghệ hòa quyện trong cùng một tiến trình. Điều quý giá nhất tôi học được từ ông không chỉ là kiến thức mà là thái độ làm khoa học, sự bền bỉ, cẩn trọng và niềm tin rằng nếu đủ kiên định, chân lý sẽ sáng tỏ. Khoa học không phải con đường bằng phẳng, nhưng mỗi khi ta hiểu thêm một phần của thế giới, ta cũng hiểu thêm một phần của chính mình. □
Bài đăng Tia Sáng số 20/2025
