Chemické reakce na povrchu pevných látek

Západní Berlín byl zvláštní oázou hluboko v bývalé východní Evropě. Jedním ze vstupů do ní byla Friedrichstrasse, zaplavovaná denně stovkami východoněmeckých důchodců. S radostí opouštěli svou jistotu ve východních markách a přecházeli do virtuálního světa, který znali jen z barevných televizních obrazovek. Příliv imigrantů však přicházel i z druhé strany Německa. Vyšší platy, daňové úlevy, osvobození od branné povinnosti a řada dalších výhod obklíčeného města s atmosférou odpovídající latinskému rčení carpe diem – to vše přitahovalo zejména mladé lidi.

Haberův ústav v Berlíně-Dahlemu Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft v Berlíně-Dahlemu se zaměřením na fyzikální chemii byl skvělým ghettem postdoktorandů z celého světa a Mekkou pro získání nesmírně prestižní pozice jednoho z pěti ředitelů, kteří vedli stáje třetí nejprestižnější instituce v oboru na světě. Budování skvělé reputace ústavu, tehdy ještě nazývaného „Kaiser Wilhelm Institut“ fyzikální chemie a elektrochemie, zahájil ředitel Fritz Haber, který zde působil od založení (r. 1911) až do převzetí moci nacisty (r. 1933), kdy ústav byl arizován. Za první světové války byl tento muž ředitelem chemického oddělení na pruském ministerstvu války. Patří k otcům bojových plynů. O tom, jak velký byl Haberův podíl, vypovídá protestní sebevražda jeho manželky Clary Immerwahrové v roce 1915 a silný ostrakizmus vůči jeho osobě po skočení války. Přesto se stal jedním ze šesti nositelů Nobelovy ceny spojených s ústavem v Dahlemu.

Syntéza čpavku

Zatím poslední, kdo z tohoto ústavu získal Nobelovu cenu, je emeritní profesor Haberova ústavu Gerhart Ertl. Byla mu udělena za zkoumání chemických procesů na povrchu pevných látek. Jako důvod pro udělení ceny se oficiálně uvádí „Reakce na površích pevných látek: Od atomů k složitým systémům“. To má ovšem velice blízko k odůvodnění „za syntézu čpavku z jeho prvků“, které bylo použito při udělení Nobelovy ceny za chemii F. Haberovi r. 1918. Haber a Ertl pracovali na témže problému, jehož řešení dnes nachází uplatnění v mnoha oborech, počínaje výrobou hnojiv a konče automobilovým průmyslem. Objev katalytických účinků železa v syntéze čpavku nejen prodloužil první světovou válku (umožnil Německu výrobu dusíkatých hnojiv a výbušnin), nedozírné následky má i v současné době. Krom toho, že má dodnes pozitivní dopad na zemědělskou produkci, přesunuly se některé problémy ekologie, jako je složení výfukových plynů spalovacích motorů, do zdánlivě neškodné polohy.

Oxidace CO na platinovém katalyzátoru snižuje v tomto směru toxicitu městského ovzduší. Zároveň jsou však produkovány neméně jedovaté oxidy dusíku a CO₂. Tyto produkty vstupují do jiných cyklů v naší již tak těžce zkoušené atmosféře.

Chemie převedená na atomovou úroveň

Objev syntézy čpavku byl intuitivní, Fritz Haber byl jedním z mágů aplikovaných věd, kteří posouvají průmysl do nových sfér bez toho, že by zcela porozuměli jevům, jež vstupují do procesu. Gerhart Ertl je jeho pravým opakem, exaktní vědec známý svou pečlivostí a neomylným výběrem optimálních metod pro jednotlivá dílčí řešení. Klíčovým rozhodnutím v jeho kariéře bylo porozumět principům Haberova-Boschova cyklu, jak se obecně nazývá princip průmyslové syntézy čpavku.

Efekt povrchu pevných látek na rychlost reakce byl znám dlouhá léta. Teprve rozvoj vakuové techniky v šedesátých letech umožnil poznat chování jednotlivých molekul na definovaných površích, a tím i rozvoj nového odvětví vědy, chemie na povrchu pevných látek. Ertl není autorem žádné převratné teorie nebo objevu, je jedním z řady chemiků a fyziků, kteří transformovali chemii z velkotonážní záležitosti na atomovou úroveň. Kombinací různých modů mikroskopie a spektroskopie byl schopen objasnit, co se děje s molekulami dusíku a vodíku na povrchu železa při jejich reakci nebo jak dochází k oxidaci CO na CO₂ na povrchu platiny. Tyto katalytické reakce dokázal dát do vztahu s morfologií povrchu a v závislosti na ní sledovat typy reakcí, k nimž docházelo.

Elegantní kombinace metod V druhé polovině 20. století vzniklo na toto téma množství příspěvků. Podstatným Ertlovým podílem není mimořádný objev, ale způsob práce, elegantní kombinace různých metod, vyhmátnutí jejich komplementarity pro rozluštění problémů známých několik desítek let. V tomto smyslu předběhl dobu s aplikací určitého typu elektronového mikroskopu, který využívá fotoemitované nebo difraktované elektrony pro vytváření obrazu. S mezoskopickým rozlišením sledoval v reálném čase oxidaci CO na platině a v závislosti na koncentraci plynů a morfologii povrchu ukázal přítomnost různých typů reakcí. Účastníci konference ECOSS 22, která se konala v Praze v roce 2003, měli příležitost vyslechnout excelentní lekci Gerharda Ertla. Tento typ mikroskopu se teprve dnes začíná využívat v mikroelektronickém průmyslu při výrobě čipů se submikronovou technologií. Důvodem je zanedbatelná interakce zobrazujících elektronů se sledovaným systémem.

Na otázku, jaké vlastnosti bychom měli mít, abychom získali Nobelovu cenu, Gerhard Ertl odpověděl: „Především trpělivost a snášenlivost.“ Myslím, že je to i celoživotní krédo pana profesora, jež ukazuje rozdíl v myšlení dvou pánů, kteří řešili problém syntézy čpavku.