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        格哈德·埃特爾:表面化學(xué)釋機(jī)制

        2018-11-27 05:02:06王江山
        知識(shí)就是力量 2018年11期
        關(guān)鍵詞:化學(xué)研究

        王江山

        71歲生日那天,德國(guó)化學(xué)家格哈德·埃特爾(Gerhard Ertl)收到了一份特殊的“禮物”—2007年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。和大多數(shù)同行一樣,他一直關(guān)注著這一學(xué)術(shù)最高獎(jiǎng),卻從未想到,自己也會(huì)成為獲獎(jiǎng)?wù)摺.?dāng)記者問“您認(rèn)為瑞典皇家科學(xué)院為什么會(huì)把今年的化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給您”時(shí),他只是微笑回答:“我真的不知道,也許你該去問評(píng)獎(jiǎng)的人。”

        有音樂天賦的小小科學(xué)家

        1936年10月10日,格哈德·埃特爾出生于德國(guó)西南部城市斯圖加特的巴特坎施塔特。在他3歲時(shí),全家遷到了附近的施密登村,他就在那里度過了童年。埃特爾從小就是一個(gè)喜歡思考和實(shí)踐的孩子。在那個(gè)沒有電腦、電子游戲的時(shí)代,男孩子們喜歡聚集在一起打鬧追逐,然而埃特爾的娛樂方式卻很特別——他迷上了化學(xué)實(shí)驗(yàn)。很長(zhǎng)一段時(shí)間中,埃特爾的母親經(jīng)常擔(dān)憂地望著兒子的房間:那里總是傳出奇怪的噪聲和強(qiáng)烈刺鼻的氣味,她從健康角度考慮,總是命令他停止這些活動(dòng)。

        埃特爾不愿意忤逆母親,就只好將興趣轉(zhuǎn)移到別的地方。他開始研究收音機(jī),從化學(xué)轉(zhuǎn)向了物理。掌握收音機(jī)原理后,他經(jīng)常幫家人修理機(jī)器,這回母親再也不阻止他了。

        雖然學(xué)習(xí)成績(jī)一直很棒,但埃特爾可不是一心只想著學(xué)習(xí)的書呆子——他很有音樂天賦,從童年起就開始學(xué)習(xí)鋼琴,還加入了樂隊(duì),甚至還靠著這項(xiàng)技能賺了不少錢。也許擁有天賦的人就是這樣,無論在什么領(lǐng)域,都可以有一番作為。

        與化學(xué)的不解情緣

        很快,埃特爾要上大學(xué)了,到底選什么專業(yè)呢?他拿捏不定??紤]到自己數(shù)學(xué)成績(jī)很優(yōu)秀,適合解決困難的物理問題,他便選擇了物理專業(yè)。1955年,埃特爾進(jìn)入斯圖加特大學(xué),后來又到巴黎和慕尼黑進(jìn)行學(xué)習(xí)和訪問。那是一個(gè)群星閃耀的時(shí)代,物理學(xué)界人才輩出。埃特爾沉迷于那些學(xué)科英雄的演講,如德布羅意(de Broglie)、約里奧(Joliot)、海森堡(Heisenberg)等。這些科學(xué)巨人給埃特爾留下了深刻的印象,也激發(fā)了他的科學(xué)熱情。演講者中的許多人都是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者,那時(shí)年輕的埃特爾還不知道,自己在幾十年后也會(huì)成為他們中的一員。

        然而,臨近畢業(yè)時(shí),埃特爾忽然發(fā)現(xiàn),其實(shí)自己對(duì)化學(xué)更感興趣—他回想起少年時(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn),即使條件艱難,他還是很享受那段時(shí)光。于是他做了一個(gè)決定:選擇物理化學(xué)方向作為自己的畢業(yè)論文項(xiàng)目。幸運(yùn)的是,埃特爾遇到了導(dǎo)師海因茨·格里舍(Heinz Gerischer)。

        作為20世紀(jì)杰出的電子化學(xué)家之一,格里舍對(duì)物理化學(xué)的許多問題都非常感興趣。在埃特爾加入他在哥廷根的團(tuán)隊(duì)之前,格里舍就已經(jīng)開發(fā)出了新的技術(shù)來研究溶液中快速反應(yīng)的動(dòng)力學(xué),并因此獲得了1967年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

        在格里舍的實(shí)驗(yàn)室中,埃特爾第一次接觸到了真正的科學(xué)研究—他終于從小鎮(zhèn)上的天才少年,成為了踏入科學(xué)殿堂的青年學(xué)者。

        名師出高徒

        在哥廷根的實(shí)驗(yàn)室,埃特爾的科學(xué)生涯真正展開了。他著迷于開發(fā)一種儀器來測(cè)量化學(xué)中的基本反應(yīng)之一—H+和OH-對(duì)H2O的重組速率常數(shù)。

        他認(rèn)為這種方法可以基于微波輻射的短脈沖對(duì)水相的快速加熱來實(shí)現(xiàn)。埃特爾信心滿滿,認(rèn)為自己很快就能解決這個(gè)任務(wù),然而實(shí)驗(yàn)和理論完全是兩回事,他很快發(fā)現(xiàn),這種技術(shù)的適用性非常有限,研究進(jìn)入了瓶頸。

        埃特爾決定換一個(gè)博士項(xiàng)目,進(jìn)軍表面科學(xué)。格里舍對(duì)埃特爾說:“如果你真的想進(jìn)入一個(gè)我們知之甚少的領(lǐng)域,那么,與其去研究固體/液體界面(注:凡在物質(zhì)相界面上所發(fā)生的物理化學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)稱為界面或表面現(xiàn)象),不如去想想你能從固體/氣體界面中找到什么。其實(shí)我對(duì)這一領(lǐng)域一無所知,但如果你決心要做,我會(huì)給你足夠的學(xué)術(shù)自由和全力支持,只要我能做到?!卑L貭柎笫芨袆?dòng)。

        表面科學(xué)領(lǐng)域需要很高的實(shí)驗(yàn)精度,必須維持足夠長(zhǎng)的表面清潔時(shí)間,而這需要超高真空(特高壓)來實(shí)現(xiàn)。雖然受到種種條件限制,但埃特爾還是成功地將合適的儀器制作出來,用于研究鍺單晶表面的反應(yīng)—雖然這不是最好的選擇,但也足夠讓他獲得博士學(xué)位了。

        不斷成長(zhǎng)

        埃特爾開始研究氧與各種銅單晶表面的相互作用。他與自己的第一個(gè)博士生合作,將低能電子衍射(LEED)的結(jié)構(gòu)信息與O2、CO和Pd(110)表面相互作用的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)結(jié)合在一起。1968年,他成為漢諾威工業(yè)大學(xué)的物理化學(xué)教授,擴(kuò)大了自己的研究隊(duì)伍,繼續(xù)研究金屬單晶表面的小分子吸附反應(yīng)。5年后,他又接過了慕尼黑大學(xué)的橄欖枝,這時(shí),他已經(jīng)走向了表面化學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威位置。

        埃特爾和他的團(tuán)隊(duì)獲得了新設(shè)備,研究了新問題。比如催化氨合成的機(jī)理,比如如何通過亞穩(wěn)態(tài)惰性氣體原子去激發(fā)最外層原子從而了解電子性質(zhì),比如建立分子束裝置,等等。這一切開啟了埃特爾在氣體表面動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究。

        1986年,埃特爾出任馬普學(xué)會(huì)(Max Planck Society)的弗里茨·哈伯研究所所長(zhǎng),接替了他的導(dǎo)師格里舍的職位,師徒二人的精神就這樣得到了完美的傳承。

        最棒的禮物

        在研究所,埃特爾在物理化學(xué)的領(lǐng)域大展身手。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)探究非線性動(dòng)力學(xué)和時(shí)空模式的形成(包括理論),通過掃描隧道顯微鏡觀察原子尺度上的表面過程,用飛秒激光技術(shù)研究快速表面過程的動(dòng)力學(xué),研究表面反應(yīng)和原子尺度電化學(xué)中的外電子發(fā)射等項(xiàng)目。

        從職業(yè)生涯初期到成為業(yè)界元老,埃特爾總是別具一格—他特別喜歡使用新的觀察技術(shù),比如低能電子衍射(LEED)、紫外光電子能譜(UPS)和掃描隧道顯微鏡(STM)等,因此常常能產(chǎn)生突破性的成果。比如,他發(fā)現(xiàn)了鉑表面振蕩反應(yīng)這一重要現(xiàn)象,并利用光電子顯微鏡首次成像了反應(yīng)過程中表面結(jié)構(gòu)和覆蓋范圍的振蕩變化;他還確定了鐵催化合成氨和鉑催化氧化一氧化碳的詳細(xì)分子機(jī)制。除此之外,埃特爾的研究也有接地氣的一面,比如可以解釋燃料電池如何在不污染的情況下產(chǎn)生能源,催化轉(zhuǎn)換器如何清潔汽車尾氣,甚至鐵為什么生銹,等等。

        71歲生日那天,他得到了一個(gè)巨大的生日禮物—諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。瑞典皇家科學(xué)院認(rèn)為埃特爾的研究為現(xiàn)代表面化學(xué)奠定了基礎(chǔ),不僅能適用于學(xué)術(shù)研究,也有利于工業(yè)發(fā)展?!氨砻婊瘜W(xué)甚至可以解釋臭氧層的破壞,因?yàn)榉磻?yīng)的關(guān)鍵步驟實(shí)際上發(fā)生在平流層的小冰晶表面?!敝Z貝爾化學(xué)委員會(huì)秘書阿斯特麗德(Astrid Graslund)說,埃特爾的工作為發(fā)展清潔能源鋪平了道路,并將指導(dǎo)燃料電池的發(fā)展。

        埃特爾那獨(dú)特的試驗(yàn)思想、深刻的學(xué)術(shù)洞察和豐富的研究經(jīng)歷,極大地開闊了表面化學(xué)領(lǐng)域的視野,也真正惠及了我們每個(gè)普通人的生活。

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