格哈德·埃特爾：表面化學釋機制

王江山

71歲生日那天，德國化學家格哈德·埃特爾（Gerhard Ertl）收到了一份特殊的“禮物”—2007年諾貝爾化學獎。和大多數同行一樣，他一直關注著這一學術最高獎，卻從未想到，自己也會成為獲獎者。當記者問“您認為瑞典皇家科學院為什么會把今年的化學獎頒給您”時，他只是微笑回答：“我真的不知道，也許你該去問評獎的人。”

有音樂天賦的小小科學家

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——他迷上了化學實驗。很長一段時間中，埃特爾的母親經常擔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，就只好將興趣轉移到別的地方。他開始研究收音機，從化學轉向了物理。掌握收音機原理后，他經常幫家人修理機器，這回母親再也不阻止他了。

雖然學習成績一直很棒，但埃特爾可不是一心只想著學習的書呆子——他很有音樂天賦，從童年起就開始學習鋼琴，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，無論在什么領域，都可以有一番作為。

與化學的不解情緣

很快，埃特爾要上大學了，到底選什么專業呢？他拿捏不定。考慮到自己數學成績很優秀，適合解決困難的物理問題，他便選擇了物理專業。1955年，埃特爾進入斯圖加特大學，后來又到巴黎和慕尼黑進行學習和訪問。那是一個群星閃耀的時代，物理學界人才輩出。埃特爾沉迷于那些學科英雄的演講，如德布羅意（de Broglie）、約里奧（Joliot）、海森堡（Heisenberg）等。這些科學巨人給埃特爾留下了深刻的印象，也激發了他的科學熱情。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，臨近畢業時，埃特爾忽然發現，其實自己對化學更感興趣—他回想起少年時的化學實驗，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：選擇物理化學方向作為自己的畢業論文項目。幸運的是，埃特爾遇到了導師海因茨·格里舍（Heinz Gerischer）。

作為20世紀杰出的電子化學家之一，格里舍對物理化學的許多問題都非常感興趣。在埃特爾加入他在哥廷根的團隊之前，格里舍就已經開發出了新的技術來研究溶液中快速反應的動力學，并因此獲得了1967年的諾貝爾化學獎。

在格里舍的實驗室中，埃特爾第一次接觸到了真正的科學研究—他終于從小鎮上的天才少年，成為了踏入科學殿堂的青年學者。

名師出高徒

在哥廷根的實驗室，埃特爾的科學生涯真正展開了。他著迷于開發一種儀器來測量化學中的基本反應之一—H+和OH-對H2O的重組速率常數。

他認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。埃特爾信心滿滿，認為自己很快就能解決這個任務，然而實驗和理論完全是兩回事，他很快發現，這種技術的適用性非常有限，研究進入了瓶頸。

埃特爾決定換一個博士項目，進軍表面科學。格里舍對埃特爾說：“如果你真的想進入一個我們知之甚少的領域，那么，與其去研究固體/液體界面（注：凡在物質相界面上所發生的物理化學現象統稱為界面或表面現象），不如去想想你能從固體/氣體界面中找到什么。其實我對這一領域一無所知，但如果你決心要做，我會給你足夠的學術自由和全力支持，只要我能做到。”埃特爾大受感動。

表面科學領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。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—雖然這不是最好的選擇，但也足夠讓他獲得博士學位了。

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）的結構信息與O2、CO和Pd（110）表面相互作用的熱力學和動力學結合在一起。1968年，他成為漢諾威工業大學的物理化學教授，擴大了自己的研究隊伍，繼續研究金屬單晶表面的小分子吸附反應。5年后，他又接過了慕尼黑大學的橄欖枝，這時，他已經走向了表面化學領域的權威位置。

埃特爾和他的團隊獲得了新設備，研究了新問題。比如催化氨合成的機理，比如如何通過亞穩態惰性氣體原子去激發最外層原子從而了解電子性質，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領域的研究。

1986年，埃特爾出任馬普學會（Max Planck Society）的弗里茨·哈伯研究所所長，接替了他的導師格里舍的職位，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，埃特爾在物理化學的領域大展身手。他帶領團隊探究非線性動力學和時空模式的形成（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，用飛秒激光技術研究快速表面過程的動力學，研究表面反應和原子尺度電化學中的外電子發射等項目。

從職業生涯初期到成為業界元老，埃特爾總是別具一格—他特別喜歡使用新的觀察技術，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，因此常常能產生突破性的成果。比如，他發現了鉑表面振蕩反應這一重要現象，并利用光電子顯微鏡首次成像了反應過程中表面結構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生能源，催化轉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—諾貝爾化學獎。瑞典皇家科學院認為埃特爾的研究為現代表面化學奠定了基礎，不僅能適用于學術研究，也有利于工業發展。“表面化學甚至可以解釋臭氧層的破壞，因為反應的關鍵步驟實際上發生在平流層的小冰晶表面。”諾貝爾化學委員會秘書阿斯特麗德（Astrid Graslund）說，埃特爾的工作為發展清潔能源鋪平了道路，并將指導燃料電池的發展。

埃特爾那獨特的試驗思想、深刻的學術洞察和豐富的研究經歷，極大地開闊了表面化學領域的視野，也真正惠及了我們每個普通人的生活。