Hành trình từ cậu bé nghèo đến chủ nhân giải thưởng VinFuture

Nhà hóa học Omar M. Yaghi phát triển vật liệu MOF siêu xốp có thể dùng để ‘vắt nước’ từ không khí và thu giữ CO2 vừa giành giải đặc biệt VinFuture.

© Omar M. Yaghi trong buổi giao lưu ngày 21/1. Ảnh: Giang Huy

Nói về con đường đến với nghiên cứu, ông cho biết, khi 10 tuổi, trong một lần đến thư viện và nhìn thấy hình ảnh mô hình phân tử, ông đã rất ấn tượng vì vẻ đẹp của mô hình. Nhiều năm sau, khi tìm hiểu về hoá học và vật liệu, ông nhận ra, hình ảnh mô hình phân tử nhìn thấy vào năm 10 tuổi chính là khởi điểm đưa ông đến với hoá học và vật liệu.

Trong 3 năm trở lại đây, ông và nhóm nghiên cứu đã tạo ra vật liệu rất nhỏ, với 1 gram to bằng đồng xu có thể che phủ một sân bóng đá, chính là vật liệu khung cơ khí (Metal-Organic Frameworks hay MOFs). Khi phân tích ở góc độ phân tử, có thể thấy vật liệu có nhiều lỗ rỗng và có liên kết để trải vật liệu ra một bề mặt rất rộng.

Các vật liệu MOF có thể đạt diện tích bề mặt lên tới 6.500 m2 chỉ với một gram. “Chúng có diện tích bề mặt cực kỳ lớn. Nếu lấy một gram chất rắn này và trải rộng ở quy mô nanomet, bạn có thể dễ dàng bao phủ một sân bóng”, Yaghi giải thích

Từ lỗ rỗng này có thể chuyển đổi khí phát thải carbon, lọc nước, lọc không khí, xúc tác và cảm biến. Ở những khu vực sa mạc với độ ẩm thấp vật liệu khung cơ kim có thể lập trình để lấy được nước trong không khí. Khi nhìn vào vật liệu ở cấp độ phân tử, sẽ thấy lỗ rỗng của phân tử sẽ có tích tụ, từ đó dùng để làm nước.

Các thành viên trong phòng nghiên cứu Yaghi. Ảnh: Đại học California, Berkeley

Ứng dụng tiềm năng

Ba trong số rất nhiều ứng dụng tiềm năng của MOF là thu giữ CO2, tạo ra nước từ không khí và lưu trữ hydro trong các vật chứa nhỏ gọn. “Thu giữ carbon vô cùng quan trọng và tôi tin rằng MOF có thể là vật liệu tốt nhất để làm điều đó. Khó khăn ở đây là tách CO2 khỏi các khí khác, kể cả hơi nước. MOF cho phép chúng ta chọn lấy CO2 rồi tách ra để nó không xâm nhập vào khí quyển”, Yaghi nói.

Nhiều kỹ thuật thu giữ carbon hiện nay sử dụng các hợp chất độc hại và có thể tiêu thụ hơn 20% nhiên liệu mà nhà máy sản xuất. Trong khi đó, MOF được tổng hợp nhờ một quy trình đơn giản, thân thiện với môi trường. Vật liệu này hiện chưa sẵn sàng để thu giữ carbon với quy mô công nghiệp, nhưng Yaghi tin rằng điều này sẽ khả thi trong tương lai.

Yaghi cũng nhìn thấy tiềm năng của việc sử dụng “sàng phân tử” để bẫy các phân tử nước trong không khí, thậm chí trong môi trường khô với độ ẩm dưới 20%, từ đó tạo ra nước dạng lỏng mà không cần năng lượng đầu vào nào khác ngoài ánh sáng mặt trời xung quanh.

“Có rất nhiều nước trong khí quyển và khả năng thu giữ nó sẽ là một chuyển biến to lớn ở các khu vực khô cằn trên thế giới. Chúng tôi đã thiết kế những mẫu MOF có thể thu thập nước trong các lỗ rỗng. Sau đó, được ánh sáng mặt trời làm nóng, nó sẽ thoát ra dưới dạng nước lỏng. Đó là nước thật sự được được tạo ra từ không khí”, ông giải thích.

Một ứng dụng tiềm năng khác là lưu trữ hydro trong các thùng nhỏ hơn nhiều so với hiện nay. Việc đặt phân tử hydro trong các lỗ rỗng của vật liệu cho phép tích trữ lượng khí lớn hơn với thể tích nhỏ hơn, nghĩa là so với một chiếc thùng rỗng, thùng chứa đầy MOF có thể đựng nhiều hydro hơn. Theo Yaghi, kỹ thuật này vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu sơ bộ nhưng là hướng đi đầy hứa hẹn để phát triển một loại nhiên liệu gốc hydro sạch cho các phương tiện giao thông.

Yaghi tin rằng việc thiết kế các vật liệu mới là một trong những điều quan trọng nhất mà con người có thể làm để giải quyết những vấn đề mà Trái Đất đang phải đối mặt, ví dụ như phát triển các nguồn năng lượng sạch.

Omar M. Yaghi, giáo sư hóa học tại Đại học California, Berkeley. Ảnh: Twitter/Mustafa Prize

Không nghĩ mình có thể thay đổi thế giới

Yaghi sinh ra ở Amman, Jordan, năm 1965 trong một gia đình tị nạn đông con gốc Palestine. Nước sạch và điện là những thứ xa xỉ với gia đình ông lúc bấy giờ. Sống trong điều kiện khó khăn, Yaghi vẫn là một cậu bé hiếu kỳ, thích học hỏi. Khoa học và việc học tập khiến ông say mê và mong muốn khám phá thêm.

Năm lớp ba, Yaghi có một trải nghiệm ảnh hưởng sâu sắc đến cuộc sống sau này. Trong giờ nghỉ trưa, ông bước vào thư viện trường và phát hiện những bức vẽ về phân tử. Đối với ông, chúng vừa huyền bí lại vừa đẹp mắt. Suy ngẫm về ý nghĩa của phát hiện mới, ông cảm thấy có một bí mật tuyệt vời ẩn chứa bên trong mà mình chưa thể hiểu hết.

“Tôi thấy những bức vẽ phân tử ở trường và rất sửng sốt dù không rõ chúng là gì. Sau này tôi mới biết chúng là thành phần của các vật thể và chúng ta không thể thấy bằng mắt thường”, Yaghi chia sẻ về trải nghiệm đầu tiên khiến ông yêu thích hóa học.

Được cha ủng hộ, Yaghi tới Mỹ năm 15 tuổi. Đây là một vùng đất xa lạ và ông cũng không biết rõ ngôn ngữ. Nhưng đối với cậu bé Palestine, giáo dục phương Tây là một giấc mơ trở thành hiện thực.

Ông theo học Cao đẳng Cộng đồng Hudson Valley, sau đó lấy bằng cử nhân hóa học tại Đại học New York Albany năm 1985. Năm 1990, ông nhận bằng tiến sĩ hóa học vô cơ tại Đại học IllinYaghi gây chú ý lớn vào năm 1999 khi lập kỷ lục thế giới về độ xốp (nhiều lỗ rỗng) với vật liệu MOF-5. Sau đó, ông tiếp tục hoàn thành chương trình đào tạo sau tiến sĩ tại Đại học Harvard. Từ năm 2000 – 2010, ông là một trong hai nhà hóa học được trích dẫn nhiều nhất thế giới.

“Khi còn nhỏ, tôi không nghĩ mình có thể thay đổi thế giới, hoặc có thể tạo ra vật liệu có ý nghĩa lớn tới vậy. Tôi đến với hoá học là từ vẻ đẹp cả phân tử, nhưng tôi đã có thể gián tiếp giải quyết các vấn đề của hành tinh”, giáo sư chia sẻ.

VinFuture đã tìm ra các chủ nhân của mùa giải đầu tiên. Có 4 giải thưởng có giá trị lên tới 4,5 triệu USD. Trong đó, giải chính – VinFuture Grand Prize trị giá 3 triệu USD, gần gấp 3 giải Nobel. Ba giải đặc biệt mỗi giải 500.000 USD.

Bích Ngọc-Thu Thảo