Нобелова награда за Химия 2007

Тази година Нобеловата награда за химия бе присъдена на един единствен учен – химикът Герхард Ертл, е удостоен за работата си върху механизма на химическите процеси, протичащи върху твърди повърхности. Наградата се дава на Ертл за приноса му към основаване на едно съвършено ново направление в химическата наука.

Чистота в науката

Противно на традиционните ни представи за химията, не всички химически реакции протичат в разтвори. В редица случаи взаимодействията между различни вещества се осъществяват върху твърди повърхности. Става дума за такива процеси като разрушаването на озоновия слой (взаимодействие между озона и фреоните върху повърхността на ледени кристали в атмосферата), ръждясването на желязото, процесите на горене в автомобилните двигатели и т.н. Твърдите повърхности се отличават със своята висока реактивоспособност, което определя и основната трудност в изучаването им. Леснотата, с която те влизат в химически реакции, прави много трудно разграничаването на отделните процеси, протичащи с тяхното участие. За да бъде възможно изучаването на всяка от реакциите, осъществяващи се върху твърдите повърхности, е необходимо те да се поддържат абсолютно чисти. Именно тук се крие тайната на успеха на Ертл – той успява да съчетае използуването на най-новите вакуумни технологии, разработени в помощ на производството на полупроводници, с една изключителна прецизност и систематичност в работата. Това прави възможно разграничаването на реакциите, протичащи с участие на твърдите повърхности и изучаването на техния механизъм.

Днес, работата на Ертл намира широко приложение. Благодарение на познанието за химическите реакции върху твърди повърхности днес е възможно разработването на икономически по-изгодни методи за производство на алтернативни горива, създаване на нови материали за нуждите на електрониката, изграждане на по-ефективни пречиствателни инсталации и др.

Хабер и Бош

През 1910 година, Фриц Хабер и Карл Бош, други двама нобелови лауреати, създават метода за промишлен синтез на амоняк. Тази революционна по своята същност разработка, се намира в основата на съвременното селско стопанство – благодарение на този процес е възможно производството на изкуствени торове. Азотът е един от основните градивни елементи в живите организми. Той се намира в огромни количества във въздуха, но повечето живи организми не са в състояние да го усвоят в този вид. Азотът „влиза” в кръговрата на веществата основно по два начина – в резултат на гръмотевични бури или с помощта на азот-фиксиращи бактерии, намиращи се в симбиоза с бобовите растения. И в двата случая се получават азотни съединения, които се натрупват в почвата и които могат да бъдат усвоени от растенията, а от там и животните. В повечето случаи, основният фактор, ограничаващ растежа на селскостопанските култури е количеството азотни вещества в почвата – това определя и значението на производството на азотни торове за развитието на селското стопанство.

За да докаже, че реакцията се осъществява именно между атомите азот и водород, а не е резултат от взаимодействие между молекули, Ертъл използува методи като спектроскопия и електронна микроскопия. При спектроскопията, изследваната повърхност се „бомбардира” с електрони или фотони, в резултат на което от анализирания материал се отделя светлина или електрони, избити от повърхността. Измерването на отделените светлина или електрони дава възможност да се прецени точния вид на атомите върху повърхността, както и дали те са свързани с други атоми или се намират в свободно състояние. Друг метод е електронната микроскопия, която позволява буквално да се „види” структурата на изучаваните повърхности. И при този подход анализираният материал се бомбардира с електрони, но за разлика от спектроскопията, в този случай се следи не за тяхната енергия, а по-скоро за разпръскването им в резултат на контакта с повърхността, което позволява да се определи с голяма точност нейния релеф.

Синтезът на амоняк, е сложен, многоетапен процес, наречен по името на двамата откриватели - процес Хабер-Бош. Взаимодействието на азот и водород до амоняк протича в присъствие на желязо. Реакцията между атомите на двата газа се осъществява върху повърхността на железни стърготини – процес, механимът на който днес е известен благодарение на тазгодишния нобелов лауреат Герхард Ертл.

Ертл използува най-съвременните методи – електронна микроскопия, спектроскопия и т.н., за да установи същността на всеки един от етапите на амонячния синтез. Целта му е да разбере кой от етапите на химическата реакция е най-бавен, т.нар. скоросто-определящ етап, за да може да разработи начин за нейното ускоряване, което ще осигури по-бързото протичане на цялостния процес и съответно увеличаване на ефективността на промишленото производство на амоняк. Чрез поредица от експерименти, в които Ертл използува идеално чисти железни повърхности, разположени във вакуум и контролирано подаване на точно определени количества азот и водород, той успява да установи точната последователност на взаимодействията. Първият етап от процес Хабер-Бош е „разцепване” на молекулата на азот върху повърхността на железните частици. Връзката между атомите на азота, в азотната молекула, е сред най-здравите, известни в химията – тяхното разрушаване по време на амонячния синтез става възможно благодарение на присъствието на железния катализатор. Реакцията протича върху повърхността на железните частици - азотните молекули се закрепят върху тях в едно-молекулен слой като в последствие връзката между отделните атоми се разрушава и те на свой ред се свързват с желязото. С подаването на водород в системата се осъществява нова реакция – връзките между отделните атоми във водородните молекули се разпадат, за да се създадат нови такива, този път със азотните атоми. Полученият при тази реакция амоняк се отделя от повърхността.

Слънчеви батерии и ауспуси

Обект на интереса на Ертъл стават и други процеси върху твърди повърхности. Пример за това са слънчевите батерии, при които на повърхността на метални електроди се получава газ водород, за който мнозина вярват, че е енергийният източник на бъдещето. Германецът е изследвал и процеса на превръщане на отровния водороден окис, получен в резултат на горенето в автомобилния двигател, във въглероден двуокис на повърхността на платинените катализатори в колите. През последните години Ертъл отново е съсредоточил вниманието си върху водорода и неговите взаимодействия с метални повърхности – желанието му е да проведе изследванията си, използувайки някои от най-съвременните технологии за анализ, което може да му помогне да изясни още детайли от тези сложни процеси.

Герхард Ертл е роден в Германия през 1936 г. През 1965 г. защитава докторат по физико-химия в Техническия Университет в гр. Мюнхен. В момента заема почетна длъжност в Института Франц Набер към Макс Планк Общество, Берлин, Германия.