Нобелевская премия по химии 2007 года

Лауреатом Нобелевской премии 2007 г. по химии стал профессор Герхард Эртль (Gerhard Ertl), работающий в берлинском институте Фрица Габера общества Макса Планка. В формулировке Нобелевского комитета сказано, что премия присуждена “за изучение химических процессов на твердых поверхностях”. Эртль узнал о присуждении ему премии в тот день, когда ему исполнился 71 год, в интервью он сказал, что это лучший подарок ко дню рождения.

Герхард Эртль родился в 1936 г. в Штутгарте (Германия). С 1955 по 1957 г. он учился в техническом университете Штутгарта, затем в Парижском университете (1957–1958) и позже в университете им. Людвига Максимилиана в Мюнхене (1958–1959). После присуждения степени доктора философии он стал ассистентом и лектором в техническом университете Мюнхена (1965–1968). С 1968 по 1973 г. Эртль – профессор и директор технического университета г. Ганновер, с 1973 по 1986 г. – профессор института физической химии университета им. Людвига Максимилиана в Мюнхене. В течение 1970–1980-х гг. читал лекции в Калифорнийском технологическом институте, в университете г. Милуоки штата Висконсин и Калифорнийском университете в Беркли. В 1986 г. он стал профессором в свободном университете Берлина и в Берлинском техническом университете. В этом же году он был приглашен на должность директора Берлинского института Ф.Габера общества Макса Планка, который возглавлял до 2004 г. В 1996 г. он стал профессором Берлинского университета им. Гумбольдта. В настоящее время Эртль уже не занимается активной исследовательской деятельностью, за ним сохранена почетная профессорская должность в берлинском институте Ф. Габера.

Он удостоен именных премий Лейбница (1991), Циглера (1998) и премии научного химического общества Японии (1992). Награжден медалями Королевского химического общества Великобритании (2002) и Словацкого химического общества (2007), а также именными медалями Гаусса (1985), Либиха (1987), Бунзена (1992), Энглера (1996).

Процессы, протекающие на твердых поверхностях, известны давно, прежде всего это гетерогенный катализ, когда реагенты представляют собой жидкости или газы, а катализатор находится в твердой фазе. Катализаторы – это вещества, которые добавляют в реакционную систему для заметного ускорения химической реакции, при этом катализатор в состав продуктов реакции не входит. Большинство современных промышленных процессов, например переработка нефти, синтез полимеров и многие другие, основаны на использовании катализаторов.

Исследованием гетерогенного катализа занимались очень многие химики, упомянем Вильгельма Оствальда (Нобелевская премия по химии 1909 г. за работы по катализу) и Поля Сабатье (Нобелевская премия по химии 1912 г. за разработку метода гидрирования органических соединений в присутствии тонкоизмельченных металлов).

Содержание большинства работ сводилось к следующему: необходимо было найти катализатор (что всегда было исключительно трудоемким делом) и разработать условия синтеза на найденном катализаторе. Для объяснения того, как именно работают гетерогенные катализаторы, предлагали различные умозрительные, иначе говоря, придуманные, теоретические схемы, которые удовлетворительно описывали протекающие превращения. Что же касается экспериментального изучения процессов, проходящих на поверхности катализатора, то оно затруднено, поскольку реакции, протекающие на твердых поверхностях, существенно отличаются от реакций в жидкостях или газах. Их изучение возможно только в особых условиях, например в среде исключительно высокого вакуума, в специальных изолированных помещениях и с использованием особо чистых реактивов, что позволяет получить воспроизводимые результаты. Именно все это и удалось осуществить Г. Эртлю.

Успех Эртля был подготовлен стремительным развитием в 1960-х гг. новых технологий, прежде всего в производстве микросхем. Чистота поверхности элементарного кремния, используемого для изготовления процессоров, играет решающую роль в его работоспособности. В результате были созданы новые технологические процессы получения сверхчистого кремния и разработаны чувствительные спектральные методы оценки чистоты.

Эртль сумел оценить новые методы и приспособить их для решения химических задач. Фактически он создал новую экспериментальную школу, разработавшую методики, которые позволили освоить эту трудную для исследования область – химию поверхности. Необходимую информацию он получал, облучая изучаемые объекты потоком электронов или фотонов и затем анализируя ответное излучение с помощью современных приборов. Поясним вкратце, о чем идет речь. Например, при использовании фотоэмиссионного электронного микроскопа поверхность освещают ультрафиолетовым светом. При этом возникают фотоэлектроны, т.е. электроны, возбужденные облучением. Те из них, которые обладают наибольшей энергией, отрываются от поверхности, преодолевая так называемую работу выхода. Эти электроны с помощью специальных линз направляются на люминесцентный экран. Картина, возникающая на экране, отражает состояние поверхности и положение находящихся на ней отдельных атомов. При обычном давлении пробег таких электронов очень короткий, поскольку они сталкиваются с молекулами газов, присутствующих в воздухе. Для того чтобы эти электроны, несущие важную информацию, дошли до экрана, необходим очень высокий вакуум – 10^–3 миллибар (1 бар – это приблизительно 1,02 атм.).

Основная заслуга Эртля состоит в том, что он научился наблюдать поведение отдельных атомов и молекул на исключительно чистых металлических поверхностях, комбинируя различные экспериментальные методики. Он сумел зафиксировать явления, происходящие на поверхности катализатора, и объяснил их.

Проще всего начать знакомство с творчеством Эртля, если взглянуть на картинку, где представлен суммарный итог его работы: показаны те результаты, которые нашли конкретное применение. Условно они объединены изображением современного трактора, однако значение этих работ далеко выходит за рамки сельского хозяйства.