НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ 2007 ГОДА. МОЛЕКУЛЯРНО-ПОВЕРХНОСТНЫЙ ДЕТЕКТИВ: СЛЕЖКА ЗА МОЛЕКУЛОЙ АЗОТА
Кандидат химических наук Т. ЗИМИНА.
Химия поверхности — основа большинства промышленных и природных химических процессов. Важность исследований в этой области трудно переоценить. Огромное число химических реакций протекает именно на поверхности твердого тела. Многие промышленные химические процессы предполагают присутствие твердой фазы — катализатора, который облегчает и ускоряет реакцию. Без катализа невозможны производство сельскохозяйственных удобрений, лекарств, полимеров, нефтепереработка и нефтехимия, очистка выхлопных газов в двигателе автомобиля. Процессы коррозии, разрушающие самолеты и атомные реакторы, трубопроводы и мостовые конструкции, также протекают на поверхности твердого тела. Именно химия поверхности лежит в основе разрушения озонового слоя, получения полупроводниковых материалов для электронной промышленности, производства возобновляемого топлива.
Процессы, протекающие на поверхности твердого тела, чрезвычайно сложны. Трудно отделить собственно химические реакции от физико-химических и физических явлений — так тесно они переплетены друг с другом. Первую Нобелевскую премию в области химии поверхности присудили в 1912 году французскому химику Полю Сабатье за разработанный им метод гидрогенизации органических соединений в присутствии мелкодисперсных металлов. Мелкодисперсные металлы — это те самые катализаторы, в отсутствие которых этот процесс был бы невозможен. Позже было показано, что наиважнейшее молекулярное событие при гидрогенизации — адсорбция молекулы водорода на поверхности металла, где она диссоциирует на атомы.
Спустя всего шесть лет, в 1918 году, Нобелевской премии был удостоен немецкий химик Фриц Хабер за разработанный им каталитический процесс получения аммиака из атмосферного азота и водорода (процесс Хабера—Боша), используемый в промышленности до сих пор.
Американский химик Ирвинг Ленгмюр описал химическое поведение поверхностей как поведение отдельных атомов и молекул, которые занимают определенные места, подобно фигурам на шахматной доске. Он также установил, какие силы принимают участие в явлении адсорбции — неотъемлемой стадии любых химических процессов на поверхности — и вывел важнейшее уравнение изотермы адсорбции, известное как уравнение Ленгмюра. В 1932 году он был награжден Нобелевской премией за открытия и исследования в области химии поверхности.
Долгое время после работ Ленгмюра существенного прогресса в изучении химии поверхности не было. Это связано с двумя объективными трудностями: во-первых, любая поверхность никогда не бывает физически и химически чистой; во-вторых, весьма сложно изготовить поверхность контролируемого состава и строения (морфологии). До 60-х годов XX века не существовало экспериментальных методов прямого наблюдения за молекулярными событиями на поверхности. Лишь с появлением оборудования, позволяющего подготавливать поверхность в условиях глубокого вакуума (до 10-11 мм рт. ст.), и инструментов для исследования молекулярных поверхностных процессов химия поверхности стала быстро развиваться, в нее пришли ученые из разных областей науки: физики конденсированных сред, физической химии и др.
Нынешний нобелевский лауреат Герхард Эртл досконально изучил каталитическую реакцию получения аммиака в результате взаимодействия атмосферного азота и водорода. Его работы прояснили механизм и “энергетику” отдельных стадий реакции. Он сумел разобраться, как водород располагается на поверхности таких металлов, как палладий, платина и никель, которые обычно выступают в роли катализаторов. Эртл разработал подробную модель строения поверхности железо—азот и описал, как протекает процесс адсорбции азота на железной поверхности. Эти исследования дали ответы на многие фундаментальные вопросы катализа и оказались полезными для развития химической индустрии, в основе которой лежит гетерогенный катализ.
Другой исключительно важный процесс, изученный Герхардом Эртлом, — “дожигание” автомобильного топлива, то есть окисление монооксида углерода (СО) до углекислого газа в присутствии катализатора (платины). Проанализировав микрофотографии, полученные на электронном микроскопе, он объяснил особенности протекания реакции во времени (нелинейную кинетику). Комбинация методов химии и физики поверхности вновь позволила получить ценнейшую информацию относительно механизмов сложных каталитических процессов.
Исследования Герхарда Эртла привели к созданию методологии изучения поверхностных процессов. Он блестяще показал, как с помощью различных экспериментальных методов можно раскрывать тонкие молекулярные механизмы важнейших реакций. Его изящные, скрупулезно выполненные
работы в конечном итоге существенно углубили наше понимание молекулярных процессов на твердой поверхности, что привело к развитию и фундаментальной науки, и технологий.
Иллюстрации с сайта http://nobelprize.org
КОММЕНТАРИЙ
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ СТАНДАРТ ИЗУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ
Свое мнение о присуждении Нобелевской премии по химии 2007 года высказал декан химического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, заведующий кафедрой физической химии академик Валерий Васильевич ЛУНИН.
Я полностью согласен с выбором Нобелевского комитета. Герхард Эртл внес неоценимый вклад в науку о поверхности — в области адсорбции и катализа. Колоссальный цикл работ, которые выполнил Герхард Эртл, дает нам очень важные представления о структуре поверхности. А по масштабам практического использования выполненных Эртлом исследований равных ему, наверное, нет.
В арсенале многих ученых есть различные инструментальные методы исследования поверхности, такие, как фотоэлектронная спектроскопия, вторичная ион-масс-спектроскопия, электронная Оже-спектроскопия, но далеко не все добиваются серьезных достижений. Герхард Эртл действительно создал методологические стандарты изучения поверхности. На него ссылаются практически все, кто работает в этой области. Он — классик, и по сумме всех параметров он — один.
Читайте в любое время
