ΒΡΑΒΕΙΟ ΝΟΜΠΕΛ ΧΗΜΕΙΑΣ 2007

ΣΟΥΗΔΙΚΗ ΒΑΣΙΛΙΚΗ ΑΚΑΔΗΜΙΑ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ:

Το βραβείο Νόμπελ Χημείας για το 2007 απονέμεται στον
Gerhard Ertl

Για
«τις μελέτες του επί των χημικών διεργασιών επάνω σε στερεές επιφάνειες»
«for his studies of chemical processes on solid surfaces»

Gerhard Ertl
(γεννήθηκε το 1936 στο Bad Cannstadt, ΓΕΡΜΑΝΙΑ )

Το Νόμπελ Χημείας για το 2007, με απόφαση της Βασιλικής Σουηδικής Ακαδημίας Επιστημών, απονεμήθηκε στον Γερμανό χημικό Gerhard Ertl, του Ινστιτούτου Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, που βρισκεται στο Βερολίνο της Γερμανίας.
Ο Καθηγητής Gerhard Ertl γεννήθηκε το 1936 στο Bad Cannstadt και εκπόνησε τη διδακτορική του διατριβή στη Φυσικοχημεία το 1965, στο Technische Universität, στο Μόναχο της Γερμανίας. Σήμερα είναι Ομότιμος Καθηγητής (Professor Emeritus) στο Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft στο Βερολίνο.
Το Βραβείο Χημείας απονέμεται στο καθηγητή Gerhard Ertl για τις πολυετείς και εξαιρετικά σημαντικές μελέτες στη Χημεία των Επιφανειών (surface chemistry). Ο τομέας ερευνών της Χημείας των επιφανειών είναι εξαιρετικά σημαντικός για τη χημική βιομηχανία επειδή βοηθάει στην κατανόηση των διάφορων μηχανισμών κατάλυσης χημικών αντιδράσεων στην επιφάνεια μετάλλων, όπως και την κατανόηση της οξείδωσης των επιφανειών μεταλλικών αντικειμένων (και ιδιαίτερα του σιδήρου), τον τρόπο λειτουργίας των ηλεκτροχημικών στοιχείων καυσίμων (fuel cells), το μηχανισμό οξείδωσης των καυσαερίων με τους τριοδικούς καταλύτες των αυτοκινήτων, κ.λπ.

Η Χημεία των Επιφανειών εμπλέκεται σε πλήθος διεργασιών, όπως:
στην καταλυτική οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα πάνω σε λευκόχρυσο,
την αντίδραση καταστροφής του όζοντος με χλωροφθοράνθρακες (freon) πάνω σε
μικροσκοπικούς κρυστάλλους πάγου, την κατασκευή ημιαγωγών υλικών για
ηλεκτρονικές συσκευές, την παρασκευή αμμωνίας (και στη συνέχεια αζωτούχων λιπασμάτων)
με αντίδραση αζώτου-υδρογόνου πάνω σε επιφάνεια σιδήρου, την παρασκευή καυσίμων
από ανανεώσιμες πηγές με αντιδράσεις πάνω σε επιφάνειες που δρουν ως καταλύτες.

 

Η Χημεία Επιφανειών αποτελεί σημαντικό κλάδο της καταλυτικής βιομηχανικής παραγωγής χημικών προϊόντων, όπως για παράδειγμα της διεργασίας Haber-Bosch που καταλύει την αντίδραση αζώτου και υδρογόνου για την παρασκευή αμμωνίας με καταλύτη σίδηρο, που στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την παρασκευή αζωτούχων λιπασμάτων. Επίσης, η Χημεία Επιφανειών μπορεί να εξηγήσει την καταστροφή του στρατοσφαιρικού όζοντος, το οποίο διασπάται με αντιδράσεις στην επιφάνεια μικροσωματιδίων πάγου στην ατμόσφαιρα της Ανταρκτικής. Η βιομηχανία ημιαγωγών είναι ακόμη ένας κλάδος που χρησιμοποιεί τις γνώσεις της Χημείας επιφανειών για την κατασκευή μικροψηφίδων πυριτίου (microchip). Γίνεται λοιπόν κατανοητό ότι η Χημεία των επιφανειών διερευνά και εξηγεί εξαιρετικά σημαντικές καταλυτικές διεργασίες με εφαρμογές στη βιομηχανία, στην κατάλυση, στην περιβαλλοντική ρύπανση και σε νέες τεχνολογικές εφαρμογές υλικών.

Ιστορική αναδρομή στη Χημεία των Επιφανειών και τις Ανακαλύψεις του Τομέα

Ο κλάδος της Χημείας των Επιφανειών έχει πλούσια ιστορία επιστημονικών ανακαλύψεων και εξαιρετικά χρήσιμων εφαρμογών στη βιομηχανία και στις νέες τεχνολογίες. Οι βασικές κατευθύνσεις της χημείας των επιφανειών ήταν αποτέλεσμα των ανακαλύψεων ότι οι χημικές αντιδράσεις διεξάγονται ταχύτερα σε ετερογενές περιβάλλον, ιδιαίτερα πάνω σε επιφάνειες μετάλλων. Το 1912 ο P. Sabatier τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας για τη μέθοδό του «υδρογόνωσης οργανικών ενώσεων με την παρουσία λεπτόκοκκης σκόνης μετάλλων». Η μέθοδος της ετερογενούς αυτής κατάλυσης εφαρμόζεται πλέον σε πολλές οργανικές συνθέσεις και έχει αναπτυχθεί ευρύτατα τις τελευταίες δεκαετίες. Το βασικό στοιχείο της κατάλυσης αυτής ήταν η κατανόηση ότι το μοριακό υδρογόνο υπόκειται σε προσρόφηση (adsorption) από τη μεταλλική επιφάνεια, όπου και διίσταται σε δραστικά άτομα υδρογόνου.
Τα επόμενα χρόνια η ετερογενής κατάλυσης στην επιφάνεια μετάλλων χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή αζωτούχων λιπασμάτων (αμμωνίας και αμμωνιακών αλάτων), γεγονός που βοήθησε στην αύξηση της γεωργικής παραγωγής και κατά συνέπεια φθηνών γεωργικών προϊόντων. Η μέθοδος Haber-Bosch, με την οποία παρασκευάζεται η αμμωνία με αντίδραση υδρογόνου με το ατμοσφαιρικό άζωτο πάνω σε σιδηρούχο καταλύτη, παρά τις βελτιώσεις έχει παραμείνει ουσιαστικά η ίδια διεργασία (Fritz Haber, Βραβείο Νόμπελ 1918).
To 1932 το Βραβείο Νόμπελ Χημείας απονεμήθηκε στον χημικό I. Langmuir για τις «ανακαλύψεις του στη χημεία των επιφανειών», ιδιαίτερα για τη συμβολή στην ετερογενή κατάλυση στην μεσεπιφάνεια αέρα-νερού. Το όνομά του συνδέεται με διάφορους όρους που καθιέρωσαν οι έρευνές του , όπως η «Ισόθερμη προσρόφηση κατά Langmuir», το σχήμα «Langmuir-Hinshelwood».
Το 1956 το Βραβείο Νόμπελ Χημείας απονεμήθηκε στους C. N. Hinshelwood και N. N. Semenov για τη συνεισφορά τους στην «έρευνα των μηχανισμών χημικών αντιδράσεων σε αέρια φάση πάνω σε επιφάνειες».
Το 1986 Βραβείο Νόμπελ Χημείας απονεμήθηκε στους D. R. Herschbach, Y. T. Lee και J. C. Polanyi για τη συνεισφορά τους «στην κατανόηση της δυναμικής βασικών χημικών διεργασιών». Τα τελευταία βραβεία αφορούσαν έρευνες για χημικές αντιδράσεις στην αέρια φάση.

Η Συνεισφορά των Ερευνών Gerhard Ertl στην Χημεία των Επιφανειών

Ο καθηγητής Gerhard Ertl ξεκίνησε την έρευνά του στη φυσικοχημεία και ασχολήθηκε με την προσρόφηση του υδρογόνου από τα μέταλλα παλλάδιο, λευκόχρυσο και νικέλιο. Συνδυάζοντας πειραματικές τεχνικές LEED (Low Energy Electron Diffraction) με μετρήσεις της προσρόφησης και χρησιμοποιώντας μοντέλα κατάφερε να κάνει την ποσοτική περιγραφή της έκθεσης του υδρογόνου στις επιφάνειες των μετάλλων (Αναφορές βιβλιογραφίας G. Ertl 1,2).
Σε νεότερες έρευνες για την προσρόφηση υδρογόνου στις μεταλλικές επιφάνειες (Pt κ.λπ.) εξετάζεται το φάσμα δόνησης (vibration spectrum) (Αναφ. 3,4). Η έρευνα του Gerhard Ertl διευκρίνησε το μηχανισμό της αντίδρασης υδρογόνου-αζώτου σε μεταλλικές επιφάνειες (Αναφ. 5). Με τη χρήση φωτοηλεκτρονικής φασματοσκοπίας έγινε δυνατό να πιστοποιηθεί η παρουσία ατομικού αζώτου σε καθαρή επιφάνεια σιδήρου και να κατασκευαστεί ένα λεπτομερές δομικό μοντέλο για τη διάταξη της μεσεπιφάνειας σιδήρου-αζώτου (Αναφ. 6).
Για τις ετερογενείς καταλυτικές αντιδράσεις είχε βρεθεί ότι στα αρχικά στάδια της κινητικής της υπήρχαν ενδείξεις για ταλαντούμενη ταχύτητα της αντίδρασης. Αυτού του είδους φαινόμενα είχαν μελετηθεί και από τον I. Prigogine (Βραβείο Νόμπελ Χημείας, 1977). Η οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα από οξυγόνο πάνω σε επιφάνειες λευκοχρύσου ήταν μια από τις κλασικές καταλυτικές αντιδράσεις. Με μια σειρά ερευνών, που περιλάμβαναν εξαιρετικά δυσνόητα θέματα, ο Gerhard Ertl τεκμηρίωσε τις «μικροσκοπικές καταστάσεις» οι οποίες εμφανίζουν μη γραμμική συμπεριφορά. Ο Gerhard Ertl έδειξε ότι το πλήρες φάσμα των μεθόδων της φυσικής των επιφανειών και της χημείας των επιφανειών μπορεί να συνδυαστεί για να δώσει μια πιο κατανοητή εικόνα της μεγάλης σημασίας των σύνθετων καταλυτικών διεργασιών (Αναφ. 7,8).

(α)

(β)

(α) Απεικόνιση της οργάνωσης των ατόμων υδρογόνου (μικροί κύκλοι) σε μονοστιβάδα, επάνω σε επιφάνεια (111) λευκοχρύσου. (β) Δομή της επικάλυψης με άτομα αζώτου (μικροί κύκλοι) σε επιφάνεια (100) σιδήρου. Αριστερά: κάτοψη, δεξιά: πλευρική άποψη. Σχήματα από το: http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/chemadv07.pdf

Βιβλιογραφία G. Ertl

  1. Conrad, Ertl, Latta: «Adsorption of hydrogen on palladium single-crystal surfaces», Surface Science 41:435, 1974.
  2. Christmann, Behm, Ertl, et al.: «Chemisorption geometry of hydrogen on Ni(III) – order and disorder», J Chem Phys 70:4168, 1979.
  3. Badescu, Salo, Ala-Nissila, Ying, … Ertl: «Energetics and vibrational states of hydrogen on Pt(III)», Phys Rev Lett 88:136101, 2002.
  4. Badescu, Jacobi, Wang, Bedurftig, Ertl, et al: «Vibrational states of a H monolayer on the Pt(III) surface», Physical Rev B 68:205401, 2003.
  5. Bozso , Ertl, Grunze,Weiss: «Chemisorption of hydrogen on iron», Applied Surface Science 1:103, 1977.
  6. Ertl, Huber, Paal, Weiss: «Interactions of nitrogen and hydrogen on iron surfaces», Applied Surface Sci 8:373, 1981.
  7. Jakubith, Rotermund, Engel, von Oertzen, Ertl: «Spatiotemporal concentration patterns I a surface reaction-Propagation and standing waves, rotating spirals and turbulence», Physical Rev Lett 65:3013, 1990.
  8. Beta, Moula, Mikhailov, Rotermund, Ertl: «Excitable CO oxidation on Pt(110) under nonuniform coupling», Physical Rev Lett 93:188302, 2004.

Πηγές από το Διαδίκτυο

  1. Royal Swedish Academy of Sciences: «The Nobel Prize in Chemistry 2007», Press Release (10.10.2007) (http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/press.html).
  2. Royal Swedish Academy of Sciences: «The Nobel Prize in Chemistry 2007» (Information for the Public) (http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/info.pdf)
  3. Royal Swedish Academy of Sciences: «Chemical Processes on Solid Surfaces» (Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2007) (http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/chemadv07.pdf)
  4. Royal Swedish Academy of Sciences: «All Nobel Laureates in Chemistry» (http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/).
  5. BBC NEWS: «Surface chemistry awarded Nobel», (http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/7037210.stm).
  6. Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Department of Physical Chemistry (http://w3.rz-berlin.mpg.de/pc/pc.html).

 

 

Επιμέλεια κειμένου
Θανάσης Βαλαβανίδης, Καθηγητής

13/10/2007