Hermann Staudinger: Người sáng lập ngành hóa học polymer

Hermann Staudinger sinh ra tại Worms, Đức vào ngày 23/3/1881. Ngay từ nhỏ, ông đã say mê khám phá cây cối và thiên nhiên, vì vậy ông đăng ký vào chuyên ngành nghiên cứu thực vật tại Đại học Halle sau khi tốt nghiệp trung học năm 1899. Tuy nhiên, trong thời gian đi học, ông nhận thấy hóa học mới chính là niềm đam mê thực sự của mình.

Năm 1903, khi chỉ mới 22 tuổi, Staudinger đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ ở Đại học Halle. Sau đó, ông tiếp tục nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Johannes Thiele ở Đại học Strasbourg, nơi ông khám phá ra các hợp chất keten, một nhóm hóa chất dễ tham gia vào nhiều phản ứng hóa học khác nhau. Năm 1907, ông trở thành giáo sư tại Đại học Kỹ thuật Karlsruhe. Trong thời gian này, ông tập trung phát triển các phương pháp tổng hợp butadiene và isoprene – các tiền chất quan trọng trong sản xuất cao su.

Năm 1912, Staudinger chuyển đến Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH Zurich). Ông tiếp tục nghiên cứu các phản ứng tổng hợp hữu cơ, đồng thời bắt đầu tìm hiểu những hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học. Ông đã hợp tác với Leopold Ruzicka để xác định cấu trúc của pyrethrin – một hợp chất dùng làm thuốc trừ sâu tự nhiên. Trong Thế chiến I, Staudinger đã nghiên cứu các hợp chất thay thế cho những sản phẩm khan hiếm trong tự nhiên, bao gồm hương liệu cà phê nhân tạo.

Năm 1920 đánh dấu một bước ngoặt lớn trong sự nghiệp của Staudinger khi ông trở thành người tiên phong nghiên cứu hợp chất polymer. Ông đã gây chấn động cộng đồng hóa học quốc tế đương thời khi đề xuất giả thuyết cho rằng các vật liệu như cao su tự nhiên, tinh bột, cellulose và protein có khối lượng phân tử rất lớn. Trong bài báo khoa học với tựa đề“Über Polymerisation” được công bố trên tạp chí Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft của Hiệp hội Hóa học Đức vào tháng 6/1920, Staudinger đã trình bày một số phản ứng tạo ra những phân tử có khối lượng lớn bằng cách kết hợp các phân tử nhỏ, lặp đi lặp lại thông qua liên kết cộng hóa trị. Ông gọi quá trình tạo ra các đại phân tử (macromolecule) nói trên là “phản ứng polymer hóa”.

Đây là một ý tưởng mang tính đột phá, đi ngược lại quan niệm phổ biến lúc bấy giờ. Khi đó, cộng đồng khoa học tin rằng các vật liệu như cao su về bản chất chỉ là một tập hợp riêng lẻ của các phân tử rất nhỏ. Trên thực tế, cao su là một hợp chất polymer cao phân tử.

Dù cung cấp nhiều bằng chứng thực nghiệm thuyết phục, Staudinger gặp phải sự phản đối mạnh mẽ từ các nhà hóa học hữu cơ hàng đầu trong gần hai thập kỷ. Staudinger nhớ lại trong cuốn tự truyện của mình: “Các đồng nghiệp của tôi tỏ ra hoài nghi về hướng nghiên cứu mới này. Họ hỏi tôi tại sao lại rời bỏ lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn liên quan đến các hợp chất có khối lượng phân tử thấp để làm việc với những hợp chất kém hấp dẫn và khó định nghĩa như cao su và polymer tổng hợp”.

Dù vậy, Staudinger không hề nản chí. Vào cuối những năm 1920, ông đã cung cấp thêm bằng chứng dựa trên phép đo độ nhớt để xác nhận rằng khối lượng phân tử của polymer không thay đổi trong quá trình biến đổi hóa học.

Năm 1927, Staudinger và cộng sự đã chứng minh các polymer được tạo ra trong phòng thí nghiệm có thể dùng để chế tạo loại sợi tổng hợp có đặc tính tương tự như sợi tự nhiên. Trước đó, các nhà khoa học tin rằng các loại sợi không thể sản xuất bằng biện pháp nhân tạo, thay vào đó chúng chỉ hình thành trong môi trường tự nhiên thông qua thực vật (như bông và lanh) và động vật (như lông cừu và tơ tằm). Phát hiện của Staudinger là tiền đề giúp Wallace Carothers điều chế thành công sợi nylon sau này.

Đến thập niên 1930, khái niệm đại phân tử của Staudinger bắt đầu được chấp nhận rộng rãi hơn và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp. Ông cũng đảm nhận công việc mới tại Đại học Freiburg, nơi ông dành toàn bộ tâm huyết để phát triển lĩnh vực hóa học polymer mới nổi. Ông không chỉ nghiên cứu các polymer tự nhiên như cellulose, cao su mà còn mở rộng sang các polymer tổng hợp bao gồm polyoxymethylene, polystyrene và polyethylene oxide.

Những nghiên cứu của ông đặt nền móng cho sự ra đời của các vật liệu polymer hiện đại, có nhiều tính ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ đóng gói thực phẩm, dệt may, cho đến công nghệ y tế và kỹ thuật sinh học. Vật liệu polymer có nhiều ưu điểm chẳng hạn như tính linh hoạt, giá rẻ, dễ tái chế, tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất.

Các nghiên cứu của Staudinger được công bố trên 800 ấn phẩm với hơn 10.000 trang tài liệu khoa học. Ông đã tóm tắt những nghiên cứu của mình trong cuốn tự truyện “From Organic Chemistry to Macromolecules” (Từ hóa học hữu cơ đến đại phân tử). Cuốn sách giáo khoa của ông với tựa đề “The High Molecular Weight Organic Compounds Rubber and Cellulose” (Hợp chất hữu cơ khối lượng lớn: Cao su và Cellulose) được xuất bản năm 1932 là tài liệu tham khảo quan trọng của nhiều nhà hóa học và công ty hóa chất.

Năm 1947, Staudinger đã hợp tác với nhà xuất bản Wepf & Company có trụ sở tại Basel để ra mắt tạp chí mới mang tên Makromolekulare Chemie (Hóa học cao phân tử). Trong hơn 50 năm, tạp chí này đã cung cấp một diễn đàn tuyệt vời cho những cuộc thảo luận khoa học sôi nổi, cũng như thúc đẩy sự phát triển của vật liệu polymer.

Staudinger luôn duy trì mối quan hệ chặt chẽ với các doanh nghiệp để tìm kiếm nguồn tài trợ cho nghiên cứu của mình, và ông cũng đảm nhận vai trò cố vấn kỹ thuật cho một số công ty sản xuất nhựa và cao su. Từ năm 1950, hội thảo do ông tổ chức đã trở thành sự kiện hằng năm lớn nhất về polymer tại Đức, thu hút hơn 700 nhà khoa học và kỹ sư tham gia.

Năm 1953, sau hơn ba thập kỷ cống hiến, Staudinger được trao giải Nobel Hóa học vì những đóng góp to lớn của ông trong việc sáng lập ngành khoa học về polymer. Trong bài phát biểu nhận giải, Staudinger nhấn mạnh vai trò của các đại phân tử không chỉ ở lĩnh vực khoa học vật liệu mà còn trong lĩnh vực sinh học, mở đường cho các nghiên cứu liên ngành về polymer và hóa học sự sống.

Ngoài công việc nghiên cứu, Staudinger cũng quan tâm đến các vấn đề đạo đức và chính trị. Trong cuộc Chiến tranh Thế chiến lần Thứ nhất, ông công khai chỉ trích việc sử dụng vũ khí hóa học và phản đối người bạn cũ Fritz Haber đã phát triển khí độc để hỗ trợ cho nỗ lực chiến tranh của quân đội Đức.

Staudinger qua đời năm 1965, nhưng di sản của ông vẫn còn sống mãi. Công trình nghiên cứu tiên phong của ông về polymer đã góp phần tạo ra nhiều vật liệu tổng hợp mới với những ưu điểm vượt trội, có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực, góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống của con người.

Nguồn: American Chemical Society