Mới đây, nhà hóa học người Mỹ gốc Jordan Omar Yaghi tại Đại học California, Berkeley, đã được trao giải Nobel Hóa học năm 2025. Ủy ban Nobel vinh danh các nhà khoa học vì đã tạo ra “các cấu trúc phân tử với những khoảng không gian lớn để khí và các hóa chất khác có thể đi qua. Các cấu trúc này, hay còn gọi là khung hữu cơ-kim loại, có thể được sử dụng để thu nước từ không khí sa mạc, thu giữ carbon dioxide, lưu trữ khí độc hoặc xúc tác cho các phản ứng hóa học”.

Giáo sư Yaghi là giảng viên thứ 28 của UC Berkeley và là người thứ năm trong vòng 5 năm qua nhận được giải Nobel. Ông biết tin mình đoạt giải khi đang quá cảnh trên đường đến một hội nghị ở Brussels, Bỉ.

Vào những năm 1990, Yaghi và các đồng nghiệp đã kết hợp kim loại với các phân tử hữu cơ để tạo ra các hợp chất lai có cấu trúc tinh thể cực kỳ xốp, cho phép dễ dàng hấp thụ, lưu trữ và giải phóng các loại khí và hơi. Ông đặt tên cho chúng là khung hữu cơ-kim loại (MOFs) và chứng minh rằng chúng không chỉ có cấu trúc rất ổn định mà còn có thể dễ dàng tùy chỉnh bằng cách sử dụng các kim loại và liên kết hữu cơ khác nhau để giữ lại các phân tử cụ thể và loại bỏ những phân tử khác.

Cho đến nay, hơn 100.000 cấu trúc MOFs riêng biệt đã được tổng hợp, mỗi loại mang những đặc tính khác nhau, phù hợp cho một ứng dụng cụ thể. Một số loại, bao gồm cả các phiên bản do chính Yaghi tạo ra, có khả năng thu giữ carbon dioxide từ khí thải của nhà máy điện hoặc các ngành công nghiệp. Những loại khác được dùng để nén khí mê-tan vào bình nhiên liệu cho các phương tiện chạy bằng khí tự nhiên. Vẫn có những loại khác có thể lưu trữ hydro và một ngày nào đó có thể sẽ được trang bị cho các loại xe chạy bằng hydro.

Trong vài năm gần đây, Yaghi đã tạo ra các MOFs có khả năng hấp thụ nước trực tiếp từ không khí, hoạt động hiệu quả ngay cả trong môi trường độ ẩm thấp của sa mạc. Ông đã tích hợp chúng vào một thiết bị thu nước.

Phòng thí nghiệm của ông đã thương mại hóa phát minh này, cho ra đời các máy thu nước nhỏ gọn cỡ lò vi sóng, có thể tạo ra 5 lít nước mỗi ngày. Không dừng lại ở đó, vào năm 2020, ông thành lập công ty Atoco để ứng dụng rộng rãi hơn công nghệ MOFs vào việc giải quyết các thách thức về biến đổi khí hậu và nguồn nước sạch toàn cầu.

Ông cũng là người tiên phong trong hai loại vật liệu xốp quan trọng khác: khung hữu cơ cộng hóa trị (COFs), là những cấu trúc hữu cơ 3D mở rộng đầu tiên; và khung zeolit imidazolate (ZIFs), giúp mở rộng đáng kể khả năng của chất xúc tác zeolit trong công nghiệp. Những vật liệu này cũng hữu ích trong việc lưu trữ và tách hydro, mê-tan, carbon dioxide, cũng như trong sản xuất và cung cấp nước sạch. Vì COFs có thêm khả năng lưu trữ các ion mang điện, chúng còn có thể hoạt động như siêu tụ điện với các ứng dụng tiềm năng trong pin hoặc ngành công nghiệp ô tô.

Hóa học lưới

Yaghi gọi lĩnh vực của mình là "hóa học lưới" và định nghĩa nó là "việc liên kết các khối cấu trúc phân tử thành các cấu trúc tinh thể mở rộng bằng các liên kết bền vững."

Hình ảnh Omar Yaghi bên cạnh các mô hình phân tử của một số cấu trúc xốp do ông tạo ra, được gọi là khung hữu cơ-kim loại (MOFs). COFs có cấu trúc bên trong tương tự, nhưng được liên kết bằng các liên kết cộng hóa trị bền vững thay vì các nguyên tử kim loại.

Ý tưởng này nảy ra với ông vào khoảng thời gian ông nhận bằng tiến sĩ tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign vào năm 1990. Tại đây, ông làm việc dưới sự hướng dẫn của nhà hóa học Walter Klemperer, người thầy có ảnh hưởng lớn đến sự nghiệp của ông. Giáo sư Yaghi chia sẻ rằng chính ông Klemperer đã dạy ông không chỉ về sự nghiêm ngặt trong khoa học, mà quan trọng hơn là truyền cảm hứng để trở thành một nhà khoa học tiên phong, người tạo ra đột phá thay vì chỉ đi theo khám phá của người khác.

Yaghi từng nghiên cứu tổng hợp các phân tử phức tạp bằng cách xây dựng các phân tử lớn hơn rồi phá vỡ chúng để có được cấu trúc mong muốn, nhưng ông nhận thấy kết quả này "không thỏa đáng". Tương tự như polyme là các chuỗi phân tử lặp lại, ông đã hình dung ra các polyme hai chiều hoặc thậm chí ba chiều, giống như tinh thể, được tạo nên từ cùng một loại khối cấu trúc phân tử.

Yaghi nói: "Cách tạo ra những vật liệu này khi đó không có một logic nào. Không có thiết kế, không có quy tắc hay hướng dẫn nào để tạo ra chúng. Vì vậy, khi còn là một trợ lý giáo sư tại Đại học Bang Arizona, tôi đã bị ám ảnh bởi việc xây dựng vật liệu theo cách tiếp cận từng khối một để có thể kết hợp chúng lại với nhau một cách hợp lý".

Sau khi tìm kiếm các cấu trúc tinh thể hoàn toàn hữu cơ mà không thành công, ông đã thử nghiệm các dạng lai giữa kim loại vô cơ và phân tử hữu cơ. Các hợp chất hữu cơ-kim loại trước đó — được gọi là polyme phối trí — rất khó sử dụng làm cấu trúc xốp vì chúng mỏng manh. Tuy nhiên, Yaghi và các sinh viên của ông đã thử một cách tiếp cận khác. Họ tạo ra một cụm vô cơ gồm hai nguyên tử kim loại và liên kết nó với một phân tử hữu cơ tiêu chuẩn. Sau nhiều lần thử nghiệm, nhóm của ông đã tạo ra được một cấu trúc ổn định, giống như tinh thể, với các cụm kim loại ở các góc của một khối lập phương. Ông sớm thành công hơn nữa với các cụm bốn nguyên tử kim loại và chứng minh rằng các cấu trúc này rất bền và có độ xốp cao

"Đó chính là tia lửa đã thắp sáng cả một lĩnh vực", ông nói. "Sau đó, bất kỳ ai cũng có thể lấy một cụm vô cơ, liên kết nó với một phối tử hữu cơ và tạo ra một tinh thể xốp. Chúng ta có thể tùy chỉnh các lỗ xốp, lưu trữ hydro, thu giữ CO2, và giờ đây là thu nước. Hơn hết, có hàng ngàn khối cấu trúc vô cơ và hàng triệu đơn vị hữu cơ có thể được sử dụng, sự kết hợp đó sẽ tạo ra vô số cấu trúc không chỉ có thể tưởng tượng được mà còn thực sự có thể tạo ra trong phòng thí nghiệm".

Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của MOF là chúng có diện tích bề mặt bên trong cực lớn: lên tới 10.000 mét vuông trên mỗi gram, tương đương diện tích của hai sân bóng đá. Diện tích bề mặt khổng lồ này cho phép một lượng lớn khí bám vào, hay còn gọi là hấp phụ. Ngoài ra, các thành phần kim loại và hữu cơ của MOF có thể được điều chỉnh để lựa chọn loại khí được hấp phụ và mức độ bám dính của nó.

Yaghi giải thích, "các cụm kim loại nằm ở các góc của một bộ khung, giống như giàn giáo người ta dựng quanh một tòa nhà. Ở các loại vật liệu cũ, người ta chỉ đặt một ion kim loại ở điểm giao nhau. Những loại mới mà chúng tôi phát minh có các cụm ion kim loại lớn hơn, cho phép bạn linh hoạt trong cách chúng liên kết. Và trên hết, chúng không mỏng manh, không bất ổn định như những loại làm từ các ion kim loại đơn lẻ. Các liên kết bền vững giữa cụm kim loại và các liên kết hữu cơ đã làm cho bộ khung trở nên vững chắc và bền bỉ".

Với MOFs, Yaghi đã kết hợp hai lĩnh vực hóa học hữu cơ (hóa học của các hợp chất carbon) và hóa học vô cơ (liên quan đến mọi thứ khác), đồng thời mở rộng chúng sang vật liệu 2D và 3D. Các MOF này có khả năng tùy biến cao. Bằng cách điều chỉnh hai khối cấu trúc, kích thước và môi trường hóa học của các lỗ xốp bên trong tinh thể MOF có thể được tùy chỉnh cho một ứng dụng nhất định.

Bằng cách thêm các enzyme vào bên trong các lỗ xốp, MOFs còn có thể được điều chỉnh để xúc tác các phản ứng, chẳng hạn như chuyển đổi mê-tan thành mê-tanol hoặc phân tách nước thành hydro và oxy để cung cấp năng lượng sạch.

Ông cho biết, các báo cáo ban đầu của mình về MOF đã vấp phải sự hoài nghi và đôi khi là chế giễu. Nhưng ông đã nhận được sự ủng hộ của một vài nhà hóa học—điều này rất quan trọng đối với một trợ lý giáo sư trẻ mới bắt đầu sự nghiệp—giúp ông tập trung vào lĩnh vực mới này. Ông tiếp tục nghiên cứu về MOFs sau khi chuyển đến Đại học Michigan vào năm 1999, đến UCLA vào năm 2007, và cuối cùng là UC Berkeley vào năm 2012.

Lĩnh vực này đã không ngừng phát triển, Yaghi nói. Số lượng bài báo khoa học về MOFs tăng vọt mỗi năm và vẫn chưa có dấu hiệu chững lại. Hàng chục công ty ở Mỹ đang theo đuổi nghiên cứu về MOFs, với các ứng dụng đa dạng từ cách lưu trữ hóa chất nguy hiểm an toàn hơn đến việc tạo ra các chất xúc tác hiệu quả hơn. Hiện ông là một trong năm nhà hóa học được trích dẫn nhiều nhất trên toàn thế giới.

Vào năm 2022, Yaghi được bổ nhiệm làm giám đốc khoa học của một trung tâm nghiên cứu mới tại UC Berkeley, Viện Vật liệu Kỹ thuật số cho Hành tinh Bakar. Viện sẽ sử dụng trí tuệ nhân tạo để phát triển các phiên bản MOFs và COFs hiệu quả về chi phí, dễ triển khai nhằm giúp giải quyết các tác động của biến đổi khí hậu.

Yaghi cũng là giám đốc sáng lập của Viện Khoa học Toàn cầu Berkeley, nơi quy tụ một nhóm các nhà khoa học và nhà giáo dục làm việc cùng nhau để tạo cơ hội nghiên cứu cho các học giả mới nổi trên toàn thế giới. Thông qua việc thành lập các trung tâm nghiên cứu xuất sắc tại Việt Nam, Ả Rập Xê-út, Nhật Bản, Jordan, Hàn Quốc, Argentina, Malaysia và Indonesia, viện nỗ lực đảm bảo rằng nghiên cứu và đổi mới khoa học được thực hiện một cách có ý nghĩa và không biên giới.

Từ Jordan đến Mỹ

Yaghi sinh ra ở Amman, Jordan, vào năm 1965, trong một gia đình người tị nạn Palestine. Cha ông làm nghề chăn nuôi gia súc và sở hữu một cửa hàng thịt ở Amman.

Những khám phá sáng tạo của giáo sư hóa học Omar Yaghi, có thể mang lại năng lượng sạch cho toàn thế giới. Đứng trong không gian phòng thí nghiệm của mình tại Tòa nhà Latimer của Berkeley, Yaghi giơ hai túi khung hữu cơ-kim loại (MOFs) có thể được sử dụng cho các giải pháp bền vững như thu nước.

Năm 15 tuổi, cha ông định hướng cho ông sang Mỹ học tập. Chỉ trong vòng một năm trước khi tốt nghiệp trung học, ông đã xin được thị thực và một mình đến định cư tại Troy, New York, để theo học đại học.

Với vốn tiếng Anh còn hạn chế, Yaghi đã tham gia các khóa học tiếng Anh, toán và khoa học tại Cao đẳng Cộng đồng Hudson Valley trước khi chuyển đến Đại học Bang New York tại Albany vào năm 1983. "Tôi yêu hóa học ngay từ đầu. Vừa chuyển đến Albany, tôi đã lao vào nghiên cứu, thực hiện cùng lúc ba dự án với ba giáo sư. Tôi không thích các lớp học, nhưng lại say mê công việc trong phòng thí nghiệm",Yaghi nói.

Tự trang trải cuộc sống bằng cách đóng gói hàng tạp hóa và lau sàn nhà, ông tốt nghiệp năm 1985 với bằng Cử nhân Hóa học loại ưu (cum laude) và tiếp tục theo học chương trình Tiến sĩ, hoàn thành vào năm 1990 tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign. Sau khi nhận học bổng sau tiến sĩ của Quỹ Khoa học Quốc gia tại Đại học Harvard, ông gia nhập đội ngũ giảng viên tại Đại học Bang Arizona vào năm 1992, sau đó là Đại học Michigan (1999) và UCLA (2007).

Năm 2012, ông gia nhập khoa hóa học tại UC Berkeley và trở thành giám đốc của Molecular Foundry tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley đến năm 2013. Ông là giám đốc sáng lập của Viện Khoa học Toàn cầu Berkeley và đồng giám đốc của Viện Khoa học Nano Năng lượng Kavli và Liên minh Nghiên cứu California bởi BASF.

"Tại cuộc họp báo vinh danh Giáo sư Yaghi, Hiệu trưởng UC Berkeley Rich Lyons gọi câu chuyện của ông là "một Giấc mơ Mỹ đã trở thành hiện thực". Ông nhấn mạnh rằng giải Nobel là thành quả của sự chăm chỉ, sáng tạo, lòng nhiệt huyết và sự sẵn lòng vượt qua những giới hạn cũ – những phẩm chất làm nên một giải Nobel và cũng là tinh thần của Đại học Berkeley.

Trong khi đó, Chủ tịch hệ thống Đại học California (UC), James B. Milliken, khẳng định giải thưởng này là "minh chứng cho sự quyết tâm và chuyên môn hàng đầu thế giới của Giáo sư Yaghi." Ông cho biết, giáo sư Yaghi là người thứ 74 của UC đoạt giải Nobel, tiếp tục di sản xuất sắc và chứng minh sức mạnh của nghiên cứu trong việc cải thiện cuộc sống.

Yaghi đã nhận được nhiều danh hiệu cho nghiên cứu của mình, bao gồm việc được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia năm 2019. Ông đã nhận được nhiều giải thưởng danh giá như Giải thưởng Von Hippel (2025), Giải thưởng Tang Prize về Phát triển Bền vững (2024), và Giải thưởng Wolf Hóa học (2018). Ông cũng được vinh danh với Giải thưởng VinFuture (2021), Huy chương vàng August Wilhelm von Hofmann Denkmünze (2020), và nhiều giải thưởng quốc tế khác từ Thụy Điển, Bỉ, và Hoa Kỳ.

Yaghi cũng là thành viên của nhiều viện hàn lâm khoa học danh tiếng trên thế giới, bao gồm Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Đức, Viện Hàn lâm Khoa học và Nghệ thuật Hoa Kỳ, và là thành viên sáng lập của Viện Hàn lâm các Nhà khoa học Ả Rập tại Kuwait.

Yaghi hiện là công dân Mỹ đang sống tại Berkeley, California.

P.T.T (NASTIS), theo https://news.berkeley.edu/2025/10/08/uc-berkeleys-omar-yaghi-shares-2025-nobel-prize-in-chemistry/, 10/2025