格哈德·埃特爾：表面化學(xué)釋機制

王江山

71歲生日那天，德國化學(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。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，卻從未想到，自己也會成為獲獎?wù)?。?dāng)記者問“您認(rèn)為瑞典皇家科學(xué)院為什么會把今年的化學(xué)獎頒給您”時，他只是微笑回答：“我真的不知道，也許你該去問評獎的人?！?h3>有音樂天賦的小小科學(xué)家

1936年10月10日，格哈德·埃特爾出生于德國西南部城市斯圖加特的巴特坎施塔特。在他3歲時，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喜歡思考和實踐的孩子。在那個沒有電腦、電子游戲的時代，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)實驗。很長一段時間中，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。

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，從化學(xué)轉(zhuǎn)向了物理。掌握收音機原理后，他經(jīng)常幫家人修理機器，這回母親再也不阻止他了。

雖然學(xué)習(xí)成績一直很棒，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，甚至還靠著這項技能賺了不少錢。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。那是一個群星閃耀的時代，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獲得者，那時年輕的埃特爾還不知道，自己在幾十年后也會成為他們中的一員。

然而，臨近畢業(yè)時，埃特爾忽然發(fā)現(xiàn)，其實自己對化學(xué)更感興趣—他回想起少年時的化學(xué)實驗，即使條件艱難，他還是很享受那段時光。于是他做了一個決定：選擇物理化學(xué)方向作為自己的畢業(yè)論文項目。幸運的是，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)的動力學(xué)，并因此獲得了1967年的諾貝爾化學(xué)獎。

在格里舍的實驗室中，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

在哥廷根的實驗室，埃特爾的科學(xué)生涯真正展開了。他著迷于開發(fā)一種儀器來測量化學(xué)中的基本反應(yīng)之一—H+和OH-對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水相的快速加熱來實現(xiàn)。埃特爾信心滿滿，認(rèn)為自己很快就能解決這個任務(wù)，然而實驗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。

埃特爾決定換一個博士項目，進(jìn)軍表面科學(xué)。格里舍對埃特爾說：“如果你真的想進(jìn)入一個我們知之甚少的領(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。其實我對這一領(lǐng)域一無所知，但如果你決心要做，我會給你足夠的學(xué)術(shù)自由和全力支持，只要我能做到?！卑Ｌ貭柎笫芨袆印?/p>

表面科學(xué)領(lǐng)域需要很高的實驗精度，必須維持足夠長的表面清潔時間，而這需要超高真空（特高壓）來實現(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

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，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)隊獲得了新設(shè)備，研究了新問題。比如催化氨合成的機理，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力學(xué)領(lǐng)域的研究。

1986年，埃特爾出任馬普學(xué)會（Max Planck Society）的弗里茨·哈伯研究所所長，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)隊探究非線性動力學(xué)和時空模式的形成（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，他得到了一個巨大的生日禮物—諾貝爾化學(xué)獎。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，因為反應(yīng)的關(guān)鍵步驟實際上發(fā)生在平流層的小冰晶表面。”諾貝爾化學(xué)委員會秘書阿斯特麗德（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。

埃特爾那獨特的試驗思想、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普通人的生活。