Vào khoảng 17:45 giờ Bắc Kinh ngày 8 tháng 10 năm 2025, Giải Nobel Hóa học năm 2025 đã được trao cho ba nhà khoa học Susumu Kitagawa, Richard Robson và Omar M. Yaghi vì những đóng góp của họ trong việc phát triển khung kim loại hữu cơ. Các cấu trúc mà họ tạo ra - khung hữu cơ kim loại (MOF) - chứa các lỗ khổng lồ trong đó các phân tử có thể vào và ra. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng chúng để thu thập độ ẩm từ không khí sa mạc, chiết xuất các chất ô nhiễm trong nước, thu giữ carbon dioxide và lưu trữ hydro.

MOF: Một "căn hộ một phòng" quyến rũ và cực kỳ rộng rãi

Giải thưởng Nobel đã được tiết lộ với khung kim loại hữu cơ (MOF) đứng dưới ánh đèn sân khấu. Nobel dùng một phép ẩn dụ để hình dung nó: một "căn hộ một phòng" quyến rũ và cực kỳ rộng rãi. Các vật liệu khung kim loại hữu cơ có tính thực tiễn đặc biệt, được cấu trúc đặc biệt để thu giữ carbon dioxide, tách các chất perfluoroalkyl (PFAS) khỏi nước, phân phối thuốc trong cơ thể người hoặc xử lý các loại khí có độc tính cao. Một số vật liệu có thể hấp thụ khí ethylene được giải phóng từ trái cây, do đó làm chậm quá trình chín của chúng; Ngoài ra còn có một số enzyme có thể bao bọc dư lượng kháng sinh trong môi trường có thể phân hủy. Các nhà hóa học đã có thể thiết kế hàng chục ngàn vật liệu MOF khác nhau, dẫn đến nhiều kỳ quan hóa học mới.

"Khung kim loại hữu cơ có tiềm năng to lớn và mở ra cơ hội để hiện thực hóa các vật liệu tùy biến với các chức năng mới", Heiner Link, Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học cho biết.

Omar M. Yaghi với hành trình khám phá MOF của mình

Omar M. Yaghi sinh năm 1965 tại Amman, Jordan. Năm 1990, ông lấy bằng tiến sĩ tại Đại học Illinois, Hoa Kỳ. Ông từng là trợ lý giáo sư tại Đại học bang Arizona, Đại học Michigan và Đại học California, Los Angeles, năm 2012 chuyển đến Đại học California, Berkeley, hiện là giáo sư hóa học James và Neeltje Tretter. Ông là giám đốc sáng lập của Viện Khoa học Toàn cầu Berkeley. Yagi đi tiên phong trong lĩnh vực hóa học lưới liên quan đến việc khâu các khối xây dựng phân tử lại với nhau thông qua các liên kết mạnh để tạo thành một khung mở. Công việc của ông là thiết kế, tổng hợp, ứng dụng và phổ biến MOF.

Năm 1999, Yagi đã giới thiệu MOF-5 với thế giới, do đó thiết lập một cột mốc quan trọng tiếp theo trong sự phát triển của khung kim loại hữu cơ. Bên trong không gian lập phương của vật liệu này ẩn chứa diện tích bề mặt khổng lồ. Một vài gram MOF-5 có diện tích bề mặt tương đương với một sân bóng đá, có nghĩa là nó có thể hấp thụ nhiều khí hơn zeolit.

Omar Yaji đã đặt những viên gạch cuối cùng vào nền của khung kim loại hữu cơ vào năm 2002 và 2003. Ông đã chứng minh khả năng sửa đổi và thay đổi MOF một cách hợp lý, mang lại cho chúng các tính chất khác nhau. Một trong những công trình của ông là tạo ra 16 biến thể của MOF-5 có lỗ lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với nguyên liệu ban đầu. Kể từ đó, khung kim loại hữu cơ đã quét qua thế giới.

Micromeritics trong công việc của Giáo sư Yagi

Trong nghiên cứu tiên tiến của vật liệu xốp và hóa học khung, mô tả chính xác diện tích bề mặt cụ thể của vật liệu, phân bố khẩu độ và tính chất hấp phụ khí là chìa khóa để thúc đẩy đột phá trong thiết kế và ứng dụng vật liệu. Chúng tôi đã may mắn được nhìn thấy hình ảnh của các mẫu máy phân tích khẩu độ và bề mặt cụ thể khác nhau của Micromeritics trong một số công việc tiên phong của Giáo sư Yagi và nhóm của ông. Nó sử dụng các sản phẩm Mack để đánh giá hiệu suất của khung hữu cơ cộng hóa trị tổng hợp và vật liệu khung hữu cơ kim loại, cung cấp hỗ trợ dữ liệu vững chắc cho việc xác minh cấu trúc và phát triển chức năng của vật liệu.

Trong nghiên cứu được công bố trên Nature Chemistry, nhóm của Giáo sư Yagi đã sử dụng Micromeritics ASAP 2020 để thử nghiệm hấp thụ amoniac trên các vật liệu như COF-10, COF-102, tiết lộ khả năng thu giữ amoniac và sự ổn định chu kỳ. Thiết bị này hoàn thành phân tích hấp phụ N₂ ở 77K, tính toán chính xác diện tích bề mặt cụ thể của lỗ vật liệu và phân tích phân bố khẩu độ kết hợp với mô hình NLDFT, cung cấp cơ sở chính để hiểu hành vi hấp phụ của vật liệu COF trong các môi trường khí khác nhau.

* DOI: 10.1038/nchem.548 phần nội dung của bài báo

Trong một nghiên cứu khác được công bố trên Science về khung hữu cơ cộng hóa trị phối hợp cao, nhóm Yagi đã sử dụng Micromeritics 3Flex với ASAP 2420 để xác định các đường đẳng nhiệt hấp phụ của vật liệu dòng BP-COF đối với N₂, Ar, H₂ và CO ₂ ở 77K và 87K, kết hợp với mô hình lý thuyết DFT để phân tích chính xác cấu trúc khẩu độ và diện tích bề mặt cụ thể của chúng. Dữ liệu này không chỉ xác nhận các mô hình cấu trúc mô phỏng lý thuyết mà còn đặt nền tảng cho các cuộc khám phá tiếp theo về các ứng dụng năng lượng và môi trường như lưu trữ hydro và thu giữ carbon dioxide.

* DOI: 10.1126/science.abd6406 phần nội dung bài báo

Ngoài ra, trong nghiên cứu thu gom nước trong khí quyển dựa trên MOF-303 được báo cáo bởi Nature Water, nhóm nghiên cứu Yagi cũng đã tiến hành phân tích hấp phụ N₂ của MOF-303 và các hạt composite của nó với sự trợ giúp của Micromeritics ASAP 2420, xác nhận diện tích bề mặt cụ thể cao so với cấu trúc xốp, cung cấp các thông số cấu trúc quan trọng để hiểu cơ chế hấp thụ nước-giải phóng hiệu quả cao của nó.

* doi.org/10.1038/s44221-023-00103-7 Phần nội dung của bài luận

Với độ chính xác cao, linh hoạt và độ tin cậy, các sản phẩm toàn tuyến của Micromeritics đã trở thành công cụ đáng tin cậy cho đội ngũ giáo sư Yagi trong quá trình phát triển các vật liệu xốp mới. Từ hấp thụ khí đến thu giữ hơi nước, từ đặc tính cấu trúc đến tối ưu hóa hiệu suất, các thiết bị này cung cấp sự đảm bảo thực nghiệm vững chắc cho những đột phá lớn của chúng trong các lĩnh vực năng lượng, môi trường và tài nguyên nước và là "động cơ dữ liệu" thúc đẩy hóa học khung từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế.