Nobeli keemiapreemia võitis piirinähtuste uurija
Suured ja keerulised asjad ei juhtu mitte ainult ida ja lääne piiril või siis kristluse ja muhameedluse piiridel. Keerulised sündmused toimuvad ka aine eri olekute piiridel. Nii nagu näiteks gaasi ja tahkise piiril. Füüsikud ja keemikud on seda teadnud juba sadakond aastat. Kuid seda annab ikka edasi uurida.
Kui näiteks gaasi molekulid satuvad raua pinnaga kontakti, siis võivad nad laguneda ja tekkinud aatomid ühineda mõne teise gaasi aatomitega – sündmus, mis gaaside segus, näiteks õhus, ei juhtuks.
Õhust võetud preemia
Tavakujutelma kohaselt kujutatakse keemikut ette tegelasena, kes segab oma katseklaasides ja kolvikestes kokku mingeid salapäraseid ained ja siis saab kätte mingi uue ühendi. Kuid üha enam on ka keemia muutunud piiriteaduseks. See tähendab teaduseks, mis uurib kahe eri keskkonna kokkupuutepinnal olevaid nähtusi. Ja just selliste piirinähtuste mõistmine on viimasel ajal andnud inimesele võimaluse toota lämmastikväetisi, valmistada õhku vähem saastavaid autosid, taibata, kuidas moodustuvad osooniaugud või siis toota üha tillukesemaks muutuvaid elektroonikaseadmeid.
Tänavuse Nobeli keemiapreemia võitis Saksa teadlane Gerhard Ertl, kes möödunud sajandi 1970. aastatel hakkas intensiivselt uurima, kuidas toota tõhusamalt lämmastikväetisi. Lugu sai alguse aga 1913. aastal, kui sakslane Fritz Haber avastas, kuidas valmistada lämmastikväetist puhtast ja selgest õhust. Ta tegi kindlaks, et õhus olevad vesinik ja lämmastik ühinevad ammoniaagiks raua pinnal. Looduses tekib ammoniaak näiteks välgu toimel võis siis aitavad taimedele lämmastikku siduda teatud liblikõieliste juurtel elutsevad bakterid. Haber võitis oma avastuse eest Nobeli preemia 1918. aastal, ja hulk aega valmistatigi seda taimekasvatuseks olulist väetist tema meetodil. Kuni tuli Ertl ja tundis huvi, kas mitte ei saaks seda reaktsiooni kiirendada.
Õhus leidub ohtralt lämmastikku, kuid seda mitte aatomite, vaid molekulidena. Ning side, mis seob kaht lämmastiku aatomit omavahel molekuliks, on üks tugevamaid keemilisi sidemeid looduses. Samuti leidub õhus ohtralt vesiniku molekule. Õhus vesinik ja lämmastik naljalt omavahel ei ühine, või kui, siis näiteks välgu toimel. Haber oli leidnud, et nende kahe molekuli omavahelisi suhteid suudab klaarida raua pind. Sellel katalüsaatorina toimival raua pinnal lagunevad kaheaatomilised lämmastiku ja vesiniku aatomid lahti ja nõnda saab moodustuda ühest lämmastiku ja kolmest vesiniku aatomist koosnev ammoniaak.
Kannatlikkuse tänu
Ertl tahtis kindlaks teha, mis aste selles reaktsioonis on kõige aeglasem. Selleks aga tuli tal kasutada tipmist vaakumtehnoloogiast, sest piiripindadel toimuvaid nähtusi saab uurida vaid võimalikult suures tühjuses. Asi on selles, et piiripind on aktiivne ja seob endaga peaaegu kõiki molekule, mis sellele vähegi lähenevad. Uurija jaoks olid aga muud ained peale lämmastiku ja vesiniku “saast”. Nõnda tuli usaldusväärsete tulemuste saavutamiseks kasutada mitte ainult tipptehnoloogiat, vaid ka suurt annust leidlikkust.
Ertl avastas, et kõige aeglasem osa ammoniaagi tekkimise reaktsiooni ahelas on lämmastiku molekuli lagunemine aatomiteks. Et mõõta reaktsiooni teiste astmete kiirust, pööras teadlane protsessi tagurpidi ja uuris, kuidas ammoniaagi molekul laguneb.
Lisaväärtusena kinnitas Ertl empiiriliselt teada olnud fakti, et seda reaktsiooni kiirendab kaaliumi juuresolu. Ning tõestas ära miks.
Sellega Ertli tegevus ei piirdunud. Ta asus uurima, kuidas parandada autodes kasutatavate väljaheitegaaside mürgisust vähendavate katalüsaatorite tõhusust. Neis muundub mürgine vingugaas ehk süsinikoksiid süsihappegaasiks. See reaktsioon toimub samuti piiripinnal, ja nimelt plaatina pinnal. Kuid Ertl avastas, et siin on asjad hoopis keerulisemad kui ammoniaagi tootmisel. Nimelt selgus, et reaktsiooni eri astmete kiirused muutuvad ajas. See on juba midagi, mis viib nõndanimetatud kaootiliste protsessideni, mille puhul aga väga väikesed keskkonna muutused võivad põhjustada ennustamatuid väljundimuutusi.
Sellised reaktsioonid pole pööratavad ja nende käigus tekib plaatina pinnal eri laadi korrapäraseid mustreid.
Praegu tegeleb Ertl uuringutega, mis püüavad selgusele jõuda vesiniku käitumise tagamaades metallpindadel. See aga seostub praegu üsna jõuliselt arendatava uue suunaga energeetikas, nagu seda on kütuseelemendid. Neist loodetakse abi keskkonnasõbralikuma elektri tootmiseks.
“Ertl on välja arendanud üldise metodoloogia, mida saab rakendada molekulaarse pinnateaduse eri probleemide lahendamiseks,” kinnitavad Nobeli keemiakomitee liikmed Sven Lidin ja Håkan Wennerström oma selgituses ja lisavad: “Uuringud korraldati suurima eksperimentaalse elegantsiga.”
“Tuleb olla kannatlik,” kommenteerib Ertl ise oma edu üht panti, “peab olema kannatlik – teadlane ei jõua kunagi lõpuni.” Ja sellise kannatlikkuse tipuks võitis Ertl Nobeli preemia täpselt oma 71. sünnipäeval.
