Σύγχρονη χημεία επιφανειών - κυψέλες καυσίμου, τεχνητά λιπάσματα και καθαρά καυσαέρια

Το βραβείο Nobel Χημείας το 2007 απονεμήθηκε για πρωτοποριακές μελέτες στη χημεία των επιφανειών. Αυτή η επιστήμη είναι σημαντική για τη χημική βιομηχανία. Μας βοηθά, επίσης, να κατανοήσουμε διάφορες διεργασίες, όπως για παράδειγμα, γιατί σκουριάζει ο σίδηρος, πως λειτουργούν οι κυψέλες καυσίμου και οι καταλύτες στα αυτοκίνητά μας. Από την άλλη μεριά οι χημικές αντιδράσεις που διεξάγονται στις καταλυτικές επιφάνειες διαδραματίζουν ουσιώδη ρόλο σε πολλές βιομηχανικές διεργασίες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η παραγωγή συνθετικών λιπασμάτων. Η επιστήμη της χημείας των επιφανειών μπορεί ακόμη να μας εξηγήσει την καταστροφή της στοιβάδας του όζοντος, καθώς σημαντικά βήματα-αντιδράσεις αυτής της διαδικασίας λαμβάνουν χώρα στην επιφάνεια μικρών κρυστάλλων πάγου στην στρατόσφαιρα. Η βιομηχανία των ημιαγωγών είναι μια ακόμη περιοχή η οποία εξαρτάται από τη γνώση που αποκτάται στο πεδίο της χημείας των επιφανειών.

Τεχνικές που αναπτύχθηκαν στη βιομηχανία των ημιαγωγών συνέτειναν στην ανάδειξη της σύγχρονης επιστήμης της χημείας των επιφανειών κατά τη δεκαετία του 1960. Ο Gerhard Ertl ήταν από τους πρώτους που αντιλήφθηκε τις δυνατότητες των νέων αυτών τεχνικών. Βήμα-βήμα ανέπτυξε μια μεθοδολογία για την επιστήμη της χημείας των επιφανειών, δείχνοντας πως μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες πειραματικές διαδικασίες για να δώσουν μια πλήρη εικόνα των επιφανειακών αντιδράσεων. Η επιστήμη αυτή απαιτεί εξελιγμένες συσκευές υψηλού κενού, καθώς ο στόχος είναι να παρατηρήσουμε, για παράδειγμα, πως συμπεριφέρονται συγκεκριμένες στοιβάδες ατόμων και μορίων πάνω στην εξαιρετικά καθαρή επιφάνεια ενός μετάλλου. Γι' αυτό θα πρέπει να είναι δυνατόν να προσδιορίζουμε με ακρίβεια κάθε στοιχείο που εισάγεται στο σύστημα. Η οποιαδήποτε μόλυνση θα μπορούσε να θέσει σε κίνδυνο όλες τις μετρήσεις. Η απόκτηση μιας πλήρους εικόνας της επιφανειακής αντίδρασης απαιτεί μεγάλη ακρίβεια και τον συνδυασμό πολλών διαφορετικών πειραματικών τεχνικών

Ο Gerhard Ertl δημιούργησε μια πειραματική σχολή σκέψης δείχνοντας πως μπορούν να αποκτηθούν αξιόπιστα αποτελέσματα σε αυτή τη δύσκολη περιοχή της έρευνας. Η διορατικότητά του έθεσε τις επιστημονικές βάσεις της σύγχρονης χημείας των επιφανειών. Η μεθοδολογία που ανέπτυξε χρησιμοποιείται τόσο στην ακαδημαϊκή έρευνα όσο και τη βιομηχανία. Η προσέγγιση που αναπτύχθηκε από τον Ertl βασίζεται κυρίως στις μελέτες του ίδιου πάνω στη διεργασία Haber-Bosch, κατά την οποία το άζωτο του αέρα χρησιμοποιείται για την παραγωγή συνθετικών λιπασμάτων. Η αντίδραση αυτή, η οποία διεξάγεται στην επιφάνεια του σιδήρου που χρησιμοποιείται ως καταλύτης, έχει τεράστια οικονομική σημασία, επειδή το διαθέσιμο άζωτο για την ανάπτυξη των φυτών είναι συχνά περιορισμένο. Ο Ertl έχει επίσης μελετήσει την οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα στην επιφάνεια της πλατίνας, μια αντίδραση που διεξάγεται στην επιφάνεια του καταλύτη των αυτοκινήτων και συνδέεται με τον καθαρισμό των εκπεμπόμενων καυσαερίων.

Περισσότερα στον ιστότοπο: http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/announcement.html