TS. Robson ở Đại học Melbourne (Úc), TS. Kitagawa thuộc Đại học Kyoto (Nhật Bản) và TS. Yaghi đến từ Đại học California, Berkeley (Mỹ) đã tạo ra các cấu trúc phân tử chứa các khoang lớn cho phép các chất khí và các hóa chất khác có thể lưu thông. Những cấu trúc này có thể dùng để thu hoạch nước từ không khí trong sa mạc, thu giữ carbon, chứa các chất khí độc hại hoặc xúc tác các phản ứng hóa học.
Đây là một kiến trúc phân tử mới, trong đó, các ion kim loại có chức năng như nền móng được liên kết lại bằng các phân tử (gốc carbon) hữu cơ dài. Các ion kim loại và các phân tử được tổ chức cùng nhau để hình thành các tinh thể có khoang chứa lớn. Những vật liệu rỗ này được gọi là là các khung hữu cơ-kim loại (MOF). Bằng cách biến đổi các khối cấu tạo được dùng trong MOF, các nhà hóa học có thể thiết kế chúng thu giữ và lưu giữ những chất đặc thù. MOF cũng có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học hoặc dẫn điện.
"Các khung hữu cơ-kim loại có tiềm năng khổng lồ, mang lại những cơ hội chưa từng thấy trước đây cho các vật liệu tùy chỉnh với các chức năng mới" – ông Heiner Linke, Chủ tịch Hội đồng Nobel Hóa học, nhận định.
 |
Ba nhà khoa học Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar M. Yaghi. |
Sáng tạo hóa học đột phá
Năm 1974, khi Richard Robson đang giảng dạy tại Đại học Melbourne, ông có nhiệm vụ chế tạo mô hình nguyên tử từ các quả bóng gỗ, để sinh viên tạo ra các cấu trúc phân tử. Do vậy, Robson nhờ nhà xưởng của trường khoan lỗ trên các quả bóng gỗ, để các thanh gỗ - tượng trưng cho liên kết hóa học, có thể gắn vào các quả bóng tượng trưng cho các nguyên tử hóa học. Tuy nhiên, vị trí khoan lỗ không phải là ngẫu nhiên. Mỗi nguyên tử hình thành liên kết hóa học theo những cách khác nhau. Robson phải đánh dấu vị trí cần khoan lỗ.
Khi nhận lại các quả bóng, Robson đã thử xây dựng một số phân tử. Đây chính là lúc khoảnh khắc sáng tạo xuất hiện: vị trí của các lỗ khoan đã gợi lên nhiều điều trong tâm trí Robson. Các phân tử mô hình có hình dạng và cấu trúc chuẩn nhờ vị trí của các lỗ khoan. Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu sử dụng các đặc tính vốn có của các nguyên tử để liên kết các phân tử khác nhau, thay vì nguyên tử riêng lẻ? Liệu ta có thể thiết kế các loại cấu trúc phân tử mới?
Hàng năm, khi Robson mang các mô hình gỗ ra để dạy cho sinh viên, ý tưởng này lại xuất hiện trong tâm trí ông. Nhưng phải hơn một thập kỷ sau, Robson mới quyết định thử nghiệm. Ông bắt đầu với một mô hình rất đơn giản, lấy cảm hứng từ cấu trúc của một viên kim cương, trong đó mỗi nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử khác, tạo thành một kim tự tháp nhỏ. Mục tiêu của Robson là xây dựng một cấu trúc tương tự nhưng dựa trên các ion đồng điện tích dương (Cu+). Cũng giống cacbon, chúng liên kết với bốn nguyên tử khác xung quanh.
Vào thời điểm đó, hầu hết các nhà hóa học đều cho rằng việc kết hợp các ion đồng với các phân tử bốn nhánh sẽ tạo ra một cấu trúc hỗn loạn như tổ chim, bao gồm các ion và phân tử. Nhưng mọi thứ đã diễn ra đúng theo dự kiến của Robson - lực hút giữa các ion và phân tử khiến chúng tự tổ chức thành một cấu trúc phân tử lớn. Giống như các nguyên tử carbon trong kim cương, chúng tạo thành một cấu trúc tinh thể đều đặn. Tuy nhiên, cấu trúc tinh thể này chứa nhiều khoang rỗng chứ không đặc như kim cương.
Năm 1989, Robson đã công bố kết quả đột phá này trên Journal of the American Chemical Society. Trong bài báo, ông dự đoán phát hiện của mình sẽ mở ra phương pháp mới để chế tạo vật liệu. Những vật liệu này có thể sở hữu những đặc tính hoàn toàn mới với nhiều lợi ích tiềm năng.
Sau đó, Robson đã giới thiệu một số loại cấu trúc phân tử mới với các khoang rỗng chứa nhiều chất khác nhau. Ông đã sử dụng một trong số chúng để trao đổi ion. Ông nhúng cấu trúc chứa ion này vào một chất lỏng chứa một loại ion khác. Kết quả là các ion đổi chỗ cho nhau, cho thấy các chất có thể xâm nhập và thoát ra khỏi các cấu trúc phân tử.
Qua các thí nghiệm, Robson chứng minh có thể chế tạo các phân tử có nhiều không gian trống bên trong dành riêng cho từng hợp hợp chất cụ thể. Ông đề xuất rằng dạng cấu trúc phân tử mới này - khi được thiết kế phù hợp - có thể dùng làm chất xúc tác các phản ứng hóa học chẳng hạn.
Tuy nhiên, các cấu trúc của Robson không bền và dễ sụp đổ. Nhiều nhà hóa học cho rằng chúng vô dụng, nhưng một số người lại nhìn thấy tiềm năng và với họ, ý tưởng của Robson về tương lai của vật liệu này đã thể hiện một tinh thần tiên phong. Những người đi sau đặt nền móng vững chắc cho tầm nhìn của ông là Susumu Kitagawa và Omar Yaghi. Từ năm 1992 đến năm 2003, họ đã có những phát hiện đột phá riêng biệt với nhau. TS. Kitagawa thấy rằng các chất khí có thể trôi vào và trôi ra khỏi cấu trúc này, ông dự đoán MOF có thể chế tạo linh hoạt. Còn TS. Yaghi tạo ra một MOF vô cùng ổn định và cho thấy nó có thể điều chỉnh bằng cách sử dụng thiết kế hợp lý, mang lại cho nó những đặc tính mới mẻ và hữu ích.
Những thứ vô dụng cũng có thể trở nên hữu ích
Trong suốt sự nghiệp nghiên cứu của mình, Susumu Kitagawa có một nguyên tắc quan trọng: cố gắng nhìn thấy "tính hữu ích của những thứ vô dụng". Khi còn là sinh viên, ông đã đọc một cuốn sách của Hideki Yukawa, người Nhật Bản đầu tiên đoạt giải Nobel Vật lý. Trong đó, Yukawa nhắc đến một triết gia Trung Quốc cổ đại, Trang Tử, người cho rằng chúng ta phải đặt câu hỏi về những gì chúng ta tin là hữu ích. Dù một thứ không mang lại lợi ích trước mắt, nó vẫn có thể có giá trị trong tương lai.
Khi Kitagawa bắt đầu nghiên cứu chế tạo các cấu trúc phân tử xốp, ông không nghĩ rằng chúng nhất thiết phải có một mục đích cụ thể. Cấu trúc phân tử đầu tiên do ông chế tạo vào năm 1992 không mấy hữu ích: một vật liệu hai chiều với các khoang rỗng nơi các phân tử acetone có thể ẩn náu. Tuy nhiên, điểm mới nằm ở tư duy về kỹ thuật xây dựng bằng phân tử. Giống như Robson, Kitagawa sử dụng các ion đồng làm nền tảng, liên kết bằng các phân tử lớn hơn.
Kitagawa muốn tiếp tục thử nghiệm kỹ thuật mới này, nhưng khi ông nộp đơn xin tài trợ, các nhà tài trợ nghiên cứu cho rằng ý tưởng này không có giá trị đặc biệt nào. Các vật liệu ông tạo ra không ổn định và không có mục đích ứng dụng, nên nhiều đề xuất của ông đã bị từ chối.
Tuy nhiên, Kitagawa không bỏ cuộc. Năm 1997, ông đã có bước đột phá lớn đầu tiên. Bằng cách sử dụng các ion coban, niken/kẽm và phân tử 4,4’-bipyridine, nhóm nghiên cứu của ông đã tạo ra các khung hữu cơ-kim loại ba chiều giao nhau bởi các rãnh hở. Khi sấy khô một trong những vật liệu này - loại bỏ nước, nó trở nên ổn định và thậm chí các khoảng trống còn có thể chứa đầy khí. Vật liệu này có thể hấp thụ và giải phóng metan, nitơ và oxy mà không thay đổi hình dạng.
Các cấu trúc do Kitagawa tạo ra vừa bền vững vừa hữu dụng, song các nhà tài trợ nghiên cứu vẫn không thấy hứng thú với chúng. Một trong các lý do là các nhà hóa học có thể tạo ra zeolit - một vật liệu xốp và bền vững, từ silicon dioxide. Chúng có khả năng hấp thụ khí, vậy tại sao lại cần phát triển một vật liệu tương tự mà không hoạt động tốt bằng?
Susumu Kitagawa biết rằng nếu muốn nhận được bất kỳ khoản tài trợ lớn nào, ông phải xác định điều gì làm cho khung hữu cơ-kim loại trở nên độc đáo. Vì vậy, vào năm 1998, trong một công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Nhật Bản, ông đã trình bày một số ưu điểm của MOF. Ví dụ, có thể chế tạo chúng từ nhiều loại phân tử khác nhau, do vậy có tiềm năng lớn để tích hợp nhiều chức năng. Ngoài ra, MOF có thể tạo ra các vật liệu mềm dẻo. Không giống như zeolit, thường là vật liệu cứng, MOF chứa các khối xây dựng phân tử linh hoạt có thể tạo ra vật liệu dẻo.
Sau đó, Kitagawa đã tìm cách hiện thực hóa ý tưởng của mình. Ông và các nhà nghiên cứu khác đã bắt đầu phát triển MOF linh hoạt. Trong lúc đó, chúng ta sẽ chuyển hướng sang Hoa Kỳ, nơi Omar Yaghi cũng đang tìm cách nâng tầm các kiến trúc phân tử.
Mở rộng tiềm năng của MOF
Học hóa học là một lựa chọn tình cờ đối với Omar Yaghi. Ông và các anh chị em của mình lớn lên ở Jordan, trong điều kiện không có điện hay nước máy. Trường học là nơi ẩn náu của Yaghi trước cuộc sống đầy khắc nghiệt. Khi lên mười tuổi, một ngày nọ, Yaghi lẻn vào thư viện trường và lấy một cuốn sách ngẫu nhiên. Khi mở sách ra, Yaghi bị thu hút bởi những hình ảnh khó hiểu nhưng đầy lôi cuốn - những cấu trúc phân tử.
Năm 15 tuổi, Yaghi đến Mỹ du học, nhanh chóng tìm thấy sự yêu thích với hóa học và sau đó là lĩnh vực thiết kế vật liệu mới. Tuy nhiên, ông thấy việc tạo ra các phân tử mới theo những cách truyền thống có nhiều bất định. Thông thường, các nhà hóa học kết hợp các chất cần phản ứng với nhau trong một bình chứa. Sau đó, để bắt đầu phản ứng hóa học, họ đun nóng bình chứa, tạo ra phân tử theo ý muốn song cũng đi kèm với nhiều sản phẩm phụ gây ô nhiễm.
Năm 1992, khi TS. Yaghi lần đầu đảm nhận vị trí dẫn dắt nhóm nghiên cứu tại Đại học Bang Arizona, ông muốn tìm thêm nhiều cách có kiểm soát để tạo ra vật liệu. Mục đích của ông là sử dụng thiết kế hợp lý để kết nối các phần tử hóa học khác nhau, giống như các miếng ghép xếp hình, để tạo ra các tinh thể lớn. Đây là một việc vô cùng thách thức, nhưng cuối cùng nhóm của ông đã gặt hái thành công khi bắt đầu kết hợp các ion kim loại với các phân tử hữu cơ. Năm 1995, TS. Yaghi công bố cấu trúc của hai vật liệu 2D khác nhau; chúng giống như tấm lưới và liên kết lại với nhau bằng đồng hoặc cobalt. Vật liệu liên kết bằng cobalt có thể giữ được các phân tử ngoại lai trong không gian của mình, và khi khoảng trống được lấp đầy, nó trở nên ổn định tới nỗi có thể đun nóng tới 350°C mà không sụp đổ. Thuật ngữ "khung hữu cơ-kim loại" khởi nguồn từ bài báo đăng trên tạp chí Nature của ông.
Cột mốc tiếp theo trong quá trình phát triển MOF của TS. Yaghi xuất hiện vào năm 1999, khi ông cho trình làng MOF-5 – vật liệu đã trở thành kinh điển trong lĩnh vực này. Đây là một cấu trúc phân tử cực kỳ ổn định và rộng rãi. Ngay cả khi rỗng không, nó có thể chịu được nhiệt độ tới 300°C mà không sụp đổ.
Tuy nhiên, điều khiến nhiều nhà nghiên cứu ngạc nhiên là diện tích khổng lồ ẩn chứa bên trong không gian khối của vật liệu. Một vài gam MOF-5 có sức chứa ngang bằng một sân bóng đá, tức là nó có thể hấp thụ nhiều hơn cả khoáng chất zeolit.
Omar Yaghi đặt những viên gạch cuối cùng trong nền tảng của MOF vào năm 2002 và 2003. Trong hai bài báo đăng trên hai tạp chí Science và Nature, ông thể hiện việc biến đổi và thay đổi MOF theo một cách hợp lý là điều khả thi, và điều này sẽ mang lại cho chúng nhiều đặc tính khác nhau. Một điều mà ông làm là tạo ra 16 biến thể của MOF-5, với khoang chứa lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với vật liệu ban đầu. Một biến thể có thể chứa thể tích lớn của khí methane, mà ông đề xuất ứng dụng trong các phương tiện chạy bằng khí tự nhiên tái tạo. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển bộ công cụ phân tử với nhiều mảnh ghép khác nhau để tạo ra những MOF mới. Chúng có các hình dạng và đặc tính khác nhau, mang lại tiềm năng phi thường cho thiết kế hợp lý – hoặc dựa trên AI cho các mục đích khác nhau. Ví dụ, nhóm nghiên cứu của TS. Yaghi đã dùng vật liệu MOF để thu hơi nước từ không khí sa mạc ở Arizona. Khi bình minh tới và ánh nắng làm nóng vật liệu, họ có thể thu được nước.
Dựa trên những phát hiện mang tính đột phá này của các nhà khoa học đoạt giải Nobel, các nhà hóa học đã xây dựng hàng chục ngàn MOF khác nhau. Một số trong đó có thể góp phần giải quyết những thách thức lớn nhất của nhân loại. Chúng ta có thể kể đến các ứng dụng như tách hóa chất vĩnh cửu PFAS khỏi nước, phá hủy dấu vết của dược phẩm trong môi trường, thu giữ carbonic hoặc thu hoạch nước từ không khí trong sa mạc.
Nguồn: NobelPrize, Phys.org
Bài đăng KH&PT số 1365 (số 41/2025)
Thanh An - Phương Anh tổng hợp