作者：王丹红/编译

格哈德·埃特尔成功描述了在表面发生的化学反应的细节，并以此方法为现代表面化学奠定了基础。他深刻的见解和卓越的实验能力向人们展示：如何在这个领域获得可靠的结果。

 

10月10日，瑞典皇家学院诺贝尔奖委员会宣布，将本年度诺贝尔化学奖授予德国物理化学家格哈德·埃特尔博士，以表彰他对“固体表面化学过程的研究”。但委员会的公告同时强调：与通常的做法不同，选择埃特尔并不是因为他研制出某种特定的工具、技术或某个发现，而是因为“他为整个领域建立了一套实验思想的方法”。

 

化学界同行为他高兴。这是自美国物理化学家欧文·朗缪尔在1932年因“在表面化学中的发现和研究”获得诺贝尔奖后，表面化学领域的第二个诺贝尔奖。最近几年有数位生物化学家获得诺贝尔化学奖，以至于有人误以为现在只有作与生物有关的研究才能得化学奖，其实，在过去107年中，一半以上的诺贝尔化学奖都授予了物理化学领域的研究，这一次物理化学家获奖再次表明：物理化学是化学研究的核心内容。

 

 

研究在表面上所发生化学反应过程的科学称为表面化学。但“发生在表面的反应非常难以研究，因为这种反应只含有几个分子，通常以极快的速度在只有一个分子厚的薄层中进行”。英国罗切斯特大学的化学家约翰·维克曼说。同时，表面具有极强的化学活性，很难让表面足够清洁以研究某种特定反应，这样的研究需要真空设备、电子显微镜、超净间，以及先进的方法和极高的精确度。

 

20世纪60年代，由半导体产业发展出的真空技术促成了现代表面化学的诞生。埃特尔是最早洞察到真空技术巨大潜力的科学家之一。他1936年出生于德国的斯图加特，在慕尼黑技术大学度过大学生涯，1965年获得慕尼黑大学物理化学博士学位，一直致力于研究发生在气体和表面之间的化学反应。1965年，他在德文期刊《物理化学杂志》上发表第一篇独立的学术论文。

 

诺贝尔奖委员会的公报说：“他奠定了整个表面化学研究领域的方法论。”美国化学会主席凯瑟琳·亨特称他是“一位了不起的科学家”，所在领域“极少为公众所知，但在许多方面改变了生活”。她说：“未来，这一研究将帮助我们开发新的可再生能源，制造更小、更强的电子产品。”

 

也许，埃特尔对哈伯-博施固氮法所作的仔细研究可以帮助我们了解表面研究的重要性，以及他的系统实验方法是怎样建立起来的。

 

 

氮是生命体的基本元素，存在于氨基酸、蛋白质和核酸中；空气中也富含氮气，但地球上的动植物需花费一番工夫，通过吸收含氮的化合物才能获取，因为通过三键链接两个氮原子的氮气是一种十分稳定的分子。

 

自然界固定氮的主要途径有两种。一为闪电：闪电以其巨大的能量将大气中的氮分子解离，让它们与氧分子反应生成氮氧化合物，这些化合物溶进雨水，生成亚硝酸根及硝酸根而渗入土壤。虽然世界各处常有闪电，但闪电固氮却不是一个产生含氮化合物的有效方法，每年经由闪电固氮所得的含氮化合物，仅占固定氮总量的10%。二是拥有固氮酵素的某些固氮细菌：它们寄居或独自生存在土壤中，能将大气中的氮气分子转化为氨及铵离子，每年经由细菌固氮所得的含氮化合物，约为总量的65%。

 

最后25%是固定氮，来源于工业途径的哈伯-博施法：在高温高压下，让氮气与氢气在精研的铁粉上反应生成氨，进一步制成氮肥。哈伯-博施固氮法的发明是工业生产化肥的核心步骤，奠定了现代农业的基础。因固氮法的发明，弗里茨-哈伯1918年获得诺贝尔化学奖。

 

埃特尔用系统的方法，一步一步研究了哈伯－博施法的反应过程，他发现这一反应过程是由7个而不是以前认为的5个步骤构成的，并以这种方法为整个学科创立了实验思想的学派。

 

 

表面化学在哈伯－博施过程发挥了重要作用。因为这个过程必须以精细的铁粉作为催化剂，让氮气与氢气同时被吸附到铁粉表面，然后进行反应。埃特尔提出的一个核心问题是：在这一反应过程中，哪个步骤最慢？因为提高最慢的步骤就能提高整个过程的速度。

 

为研究哈伯－博施过程，埃特尔使用了一个理想系统：在真空中铺上一层清洁和光滑的铁粉，再控制性地输入不同的气体。他发现，当氮气分子到达铁粉表面时，它首先是以分子的形成吸附，完全吸附后，两个氮原子之间的键可能断裂，以氮原子的形式与铁离子吸附，当然，这需要一些时间。埃特尔的问题是：氮分子是以分子还是原子的形式与氢反应？早期的研究已经知道，氢分子在铁粉表面立即断裂，并以氢原子的形式吸附在表面。

 

为回答这个问题，埃特尔在增加氢气的同时测量了铁粉表面氮原子的浓度，发现氢增加得越多，铁表面氮原子的浓度就越低，这表明氮是以原子而不是分子的形式与氢反应。

 

但是，测量铁表面氮原子的浓度并不是一件容易的事。埃特尔用光谱分析方法来区分氮原子和氮分子，同时，他又用另一种方法来测量氮的深度，即研究铁粉表面的形状，因为当氮吸附在铁粉表面时，表面的形状会有微小变化，他用电子轰击铁粉表面，电子不同的散射模式揭示了表面的不同。

 

为什么要同时使用不同的方法呢？因为这种类型的表面化学，非常难以确定所看见的就是事实。系统中任何微小的杂质都会立即吸附到表面，换句说，这种表面必须用尽可能多的不同方法来研究，以确保所获得的图像没有因污染而扭曲。因为是在一个原子厚度的表面上进行观察，所以每个实验技术所获得的信号都非常微弱。

 

 

在哈伯－博施反应过程中，埃特尔使用不同的方法测量分子在铁表面停留的时间，发现氮分子分裂成氮原子这一过程限制了整个反应过程的速度，而且，一旦两个氮原子从彼此的束缚中解放出来，它们立刻与周围的氢原子结合生成氨。如果要提高整个反应的速度，就必须加快氮气分裂成氮原子的速度。

 

今天，我们已经知道，在催化剂中加入钾是提高哈伯－博施反应过程的方法之一，埃特尔不仅表明加入钾确实会提高速度，而且还解释了为什么会产生这一结果。

 

氮分子分裂的速度大大慢于反应中的其他步骤，这意味着后续反应都是在瞬间进行的，很难再寻找方法来研究这些步骤。但埃特尔没有放弃，他想制作整个反应过程的路线图，他的创造性和不屈不挠的性格让他实现了这一目标：他发现可以从反向来研究这个过程。

 

哈伯－博施过程是一种可逆向进行的反应，反应的方向取决于注入系统的气体是氨气还是氢气加氮气。因此，埃特尔着手研究氨气是如何吸附在铁粉表面、再一步步分解成氮原子和氢原子的。他将重氢加入反应系统，当氨气释放出氢原子后，它会立即接收一个重氢原子，通过这种方法，他观察到两个缺失的中间步骤，即氨分子中的3个氮－氢键不是同时断裂，而是一个接一个地断裂，并测出了最后一步反应过程的速率。

 

埃特尔对哈伯－博施过程的研究，表明了他的实验思想和方法的建立过程。利用高度受控的系统，他成功测量了每一个反应步骤的速率和反应动能，这些数据又被用于更有实际应用价值的反应过程的计算。这就是埃特尔的方法学不仅对基础研究，而且对工业模型的建立也极为重要的原因。

 

 

10月10日，埃特尔71岁生日，德国马普学会弗里茨－哈伯研究所往常宁静的小花园里欢声、笑语、祝福和闪光灯不断，研究所300多名研究员欢聚一堂，用香槟和德国脆饼庆祝埃特尔的生日。

 

诺贝尔奖这份情理之中、意料之外的生日大礼让他喜不自禁，他说：“我当然知道自己是候选人，但物理学奖昨天颁发给一位德国人，所以我认为化学奖不会给我了。”诺贝尔奖委员会打电话问埃特尔：除了这份科学荣誉外，他还得到了什么生日礼物？“还有一个散步用的拐杖。”他说。

 

在接受《科学》杂志的电话采访时，埃特尔将荣誉归功于领域里的同事，他说，这一领域是许多表面特征技术平行发展所推动的，许多科学家已熟练地组织应用这些技术，比如美国加州大学伯克利分校的表面化学家盖博·索马杰教授。因为在表面化学领域的贡献，索马杰和埃特尔分享了1998年的沃尔夫化学奖。

 

《自然》杂志发表文章说，让许多同行不解的是：为什么索马杰没有和埃特尔分享诺贝尔奖？埃特尔也说：“他（索马杰）没有我和一起获得诺贝尔奖，我有些失望。”

 

英国卡迪夫大学物理化学家Graham Hutchings则认为这一诺贝尔奖极为公正，“最好的表面科学家获得了承认。他在非常基础的水平上研究了分子在表面是如何相互作用的，因为对这些基础性问题的认识是如此深入，才可以发展许多设备和技术。”

 

当被问及诺贝尔奖会怎样改变他的生活时，埃特尔说：“我希望这不会太多地改变我的生活，但以前获奖的人都告诉我，这会改变一个人的生活。我希望我还能继续作研究。”