Rootsi Teaduste Akadeemia teatas 10. oktoobril, et tänavuse Nobeli keemiaauhinna pälvis Saksa teadlane Gerhard Ertl. Nobeli komitee tunnustas Gerhard Ertli töid pinnakeemia protsesside uurimisel.
Uurimisvaldkond on väga lai, haarates keemiatööstuse protsesse, raua korrosiooni ning moodsaid kütuseelemente ja neis toimuvat. Ertli arvukates töödes käsitletakse katalüütilisi protsesse tahke katalüsaatori pinnal ja ultraõhukesel pooljuhtkelmel toimuvaid reaktsioone. Selle uurimissuuna praktiliseks väljundiks on tõhusate katalüsaatorite kasutusele võtmine transpordis, et neutraliseerida heitgaasides neid osiseid, mis saastavad elukeskkonda mürgiste heitainetega.
Osooniaukude keemia
Maistest pinnakeemia probleemidest on Gerhard Ertl jõudnud kosmosesse. Ta on näidanud, et pinnakeemia aitab selgitada osonosfääri lagunemist, sest osonosfääri hõrenemisprotsessis osalevad stratosfäärist pärinevad jääkristallid, mille mikrokristalsetel pindadel võib toimuda osoonimolekulide lagundamine.
Osonosfääris toimuv osooni tekkimine hapniku aatomist ja hapniku molekulist on tegelikult väga komplitseeritud, sest sünteesireaktsioonil vabaneva energia arvel võib osoonimolekul omakorda taas lähteaineteks laguneda. Et seda ei juhtuks, tuleb vabanev energia üle anda osakesele, mis selle sünteesipaigast eemale kannaksid, enne kui osoonimolekul laguneda jõuaks.
Stratosfääri mõjutab ka maapealne elukeskkond. Lennukite ja autode heitgaasidest jõuab osonosfääri dilämmastikoksiid (N2O), mis valguskvantide arvel laguneb fotokeemiliselt lämmastikmonooksiidiks (NO), viimane aga põhjustab osooni molekulide lagunemist. Seda mõjutavad ka külmikutest pärinevad freoonid ja mitmed põlemisprotsesside saadused, mis jõuavad aegamööda maalt stratosfääri, sealhulgas siis ka osonosfääri. Veel osalevad osooni sünteesis ja lagunemises maapinnast ning lämmastikväetistest mikrobioloogiliste protsesside tagajärjel erituvad lämmastikuühendid, mis samuti aeglaselt osonosfääri tõusevad. Kõik see muudab osonosfääri üha õhemaks ning põhjustab osooniauke, mille kaudu pääsevad maapinnani Päikese ultraviolettkiirguse kahjulikud komponendid. Viimased põhjustavad teadagi nii nahavähki, silma hallkaed kui muid haigusi.
Gerhard Ertl on aga niisiis uurinud stratosfäärist pärinevate jääkristallide osalemist osoonimolekuli moodustumisel või lagunemisel, sest jääkristallide osa selles protsessis pole päris selge. Teoreetiliselt peaksid madalad miinustemperatuurid soodustama osooni neeldumist jääkristalli pinnal, kuid siis võivad sidemed osoonimolekulis deformeeruda ja nõrgeneda, mille tulemusel osoon laguneb. Tegemist on piirpinnal toimuvate protsessidega, mida selguse saamiseks tuleks modelleerida Maal.
Katalüsaatorite katalüsaatorid ehk näljahäda leevendamine
Just niisuguste tahkete ainete ja nende pinnal toimuvate eritekkeliste protsessidega ongi seotud vastse Nobeli keemialaureaadi teadustööd. Ta on uurinud põhjalikult oksüdatsiooni ehk hapnikuga ühinemise reaktsiooni mehhanismi ja sel protsessil tekkivaid vaheühendeid. Oma uurimustes on ta kasutanud nii täppisuurimismeetodeid, nagu elektronspektroskoopiat ja infrapunast spektroskoopiat, kui ka elektronide difraktsiooni, Raman-spektroskoopiat, mass-spektroskoopiat, ultraviolettspektroskoopiat ning teisi nüüdisaja uurimismeetodeid ja -aparatuuri. Nii õnnestus tal selgitada, kuidas plaatinametallidest katalüsaatori pinnal neelduvad süsinikoksiidi molekulid. Sõltuvalt katalüsaatori pinna struktuurist ja aktiivsete punktide geomeetriast neelduvad katalüsaatori pinnal ka õhuhapniku molekulid. Tahke pinna aktiivsete punktide jõuväljade mõjul nõrgenevad ja deformeeruvad pinnal neeldunud molekulide aatomitevahelised sidemed. Seejuures võivad aatomitevahelised sidemed katkeda ning moodustuda hoopis uued sidemed ja uued ühendid. Nagu näiteks süsinikoksiidi (CO) ehk vingugaasi oksüdatsioonil ehk ühinemisel hapnikuga tekib süsinikdioksiid (CO2) ehk süsihappegaas, mis eraldub katalüsaatori pinnalt.
Gerhard Ertl on põhjalikult uurinud ammoniaagi sünteesi ehk Haberi-Boschi protsessi raudkatalüsaatoril, eriti muidugi protsesse, mis toimuvad katalüsaatori pinnal. Selgus, et raudkatalüsaatori tõhusust mõjutavad selle koostisse kuuluvad lisandid, eriti leelismetallid. Ilmnes ka, et mõned elemendid suurendavad katalüsaatori aktiivsust. Neid elemente hakati nimetama selle katalüsaatori promootoriteks ehk teisisõnu katalüsaatori katalüsaatoriteks.
Ertl selgitas ja modelleeris ammoniaagi tekkeprotsessi samm-sammult, näidates, kuidas katalüsaatoril neeldunud lämmastik reageerib vesinikuga, moodustades katalüsaatori pinnal aatomite rühma NH. Teatavasti on lämmastiku molekulis kahe lämmastiku aatomi vahel püsiv kolmikside, mis muudab lämmastiku molekuli püsivaks ja passiivseks. Kui õnnestub kolmikside lõhkuda, algab ammoniaagi süntees. Ertl selgitas, et kui algetapil moodustub katalüsaatori pinnal lämmastikust ja vesinikust koosnev rühm NH, siis sellega käivitubki ammoniaagi süntees. Järgmises astmes moodustub NH rühmast NH2 ja kolmandas astmes ammoniaak NH3, mis eraldub raudkatalüsaatori pinnaosakeselt, vabastades koha järgmiste molekulide neeldumiseks ja osalemiseks sünteesil. Ammoniaagi molekul eraldub gaasina ja eemaldub süsteemist. Protsess kordub üha uuesti ja ammoniaaki tekib pidevalt juurde. Ammoniaak on aga teatavasti lämmastikväetiste lähteaine, nimetatud protsess üks kesksemaid lämmastikväetiste tootmisel ning seega ka näljahäda probleemide leevendamisel maailmas.
Ertl on ka uurinud, kuidas muutub gaasiliste ainete reageerimisel tahke aine ehk katalüsaatori pinnaga selle katalüsaatori pinna struktuur ja millised katalüüsi vaheühendid protsessil tekivad. Ultraviolettspektroskoopiat rakendades jälgiti, millal vastu katalüsaatori pinda põrkunud gaasimolekul pinnal neeldub ja mis tingimustel põrkub gaasimolekul pinnalt tagasi.
Puhta heitgaasi nimel
Elukeskkonna parendamise seisukohalt on oluline leida efektiivseid katalüsaatoreid, mis oksüdeeriksid autoheitgaasi mürgid võimalikult keskkonnasõbralikeks aineteks. Autoheitgaasi kahjulikud osised on eeskätt vingugaas, lämmastikoksiidid ja mitmesugused süsivesinikud, sealhulgas vähktõbe põhjustavad kantserogeenid ja ohtlikult mürgised ühendid, isegi dioksiinid. Kahjuks ei tunta nii tõhusaid katalüsaatoreid, mis kõik need ohtlikud ühendid ohututeks oksüdeeriksid. Perspektiivseimad on plaatinametallid, mistõttu viimastel aastatel on kasvanud nõudlus nende järele. Praegu kulubki enam kui pool plaatinametallide maailmatoodangust autoheitgaaside neutralisaatorite valmistamiseks. Idee on selles, et muundada heitgaasides esinevad süsivesinikud katalüütilises oksüdatsiooniprotsessis süsihappegaasiks, vabaks lämmastikuks ja veeauruks. Ent süsivesinike erinev termiline püsivus ja selektiivsete katalüsaatorite puudumine ei võimalda veel optimaalset lahendust.
Gerhard Ertlit paelus probleem, et mis on ühist pallaadium-, plaatina- ja nikkelkatalüsaatori struktuuris ja pinnageomeetrias, sest nimetatud katalüsaatorid erinevad üksteisest struktuurilt, olles toimelt siiski hüdrogeenimiskatalüsaatorid, millega saab muuta küllastumata orgaanilised ühendid küllastunud ühenditeks. Ertl selgitas, et plaatinakatalüsaatoril neelduvad vesiniku molekulid efektiivselt katalüsaatori pinnal, lagunedes seal aatomiteks. Nii moodustub plaatinakatalüsaatori pinnale monomolekulaarne vesiniku aatomite kiht, mis osaleb efektiivselt hüdrogeenimisreaktsioonides, kus siis vesinik liitub teiste keemiliste elementide või ühenditega.
Gerhard Ertl ongi avaldanud arvukalt publikatsioone plaatinametallide kui katalüsaatorite struktuuri ja toime kohta. Paistab silma, et pallaadium- ja plaatinakatalüsaatori uurimise kõrval on tal olnud eriline huvi veel kõige odavama plaatinametalli ehk ruteeniumkatalüsaatori rakendusvõimaluste vastu.
Professor Ertli teaduslike publikatsioonide arv on aukartust äratav, 673. On ilmne, et Gerhard Ertli uurimused heterogeense katalüüsi ja tahke aine pinnanähtuste valdkonnas ning sellega seonduvad detailsed uuringud rajavad teed järgmistele füsikokeemikute põlvkondadele.
Lisaks paistab silma veel üks huvitav asjaolu: Ertl on tegelenud piirinähtustega, kuid on ka ise teaduslikult haritud piiriteadlane. Ettevalmistuselt on Ertl füüsik, tema uurimisobjekt on olnud füüsikaline keemia ja Nobeli preemia omistati talle keemiaalaste uurimuste eest.
Preemiaga kaasnevad kümme miljonit Rootsi krooni annab Rootsi kuningas Carl XVI Gustav laureaadile 10. detsembril tšekina Stockholmis kätte.
Gerhard Ertl sündis 10. oktoobril 1936 Stuttgardis. Huvitava kokkusattumisena langetas Nobeli komitee oma otsuse samuti 10. oktoobril. Kui Nobeli komitee istungi juhataja laureaadile helistas ning teda Nobeli preemia ja 71. sünnipäeva puhul õnnitles, vastas Ertl, et see on tema kõige õnnelikum sünnipäev.
Ertli füüsikustuudium algas 1955 kahe õpinguaastaga Stuttgardi Tehnikaülikoolis, järgnes aasta Pariisi Ülikoolis ja teine Ludwig Maximiliani Ülikoolis Münchenis. 1959 naasis Ertl Stuttgardi ja kaitses seal 1961 magistrikraadi. PhD väitekirja füüsikalises keemias kaitses 1965 Müncheni Tehnikaülikoolis ning jätkas pärast lõpetamist õppejõuna Stuttgardis. Külalisprofessorina on ta töötanud California Ülikoolis ja Wisconsini Ülikoolis Milwaukees. 1986 sai temast Max Plancki Ühingu Fritz Haberi Instituudi direktor. 2004 emeriteerus. Gerhard Ertl on arvukate teadusasutuste ja teaduste akadeemiate liige, auliige või välisliige. Enam kui 30 rahvusvahelist organisatsiooni on autasustanud teda medalite ja aunimetustega.
Gerhard Ertl harrastab musitseerida klaveril, ja nagu ta avameelselt märgib, on tema hobiks mängida oma kassiga.
HERGI KARIK (1929) on keemik, lõpetanud 1954. aastal Tallinna Tehnikaülikooli anorgaanilise keemia erialal. Olnud samast aastast Tallinna Pedagoogikaülikooli õppejõud, aastast 1990 professor, aastail 1992-1999 keemia õppetooli juhataja. Praegu Tallinna Ülikooli emeriitprofessor. Kirjutanud rohkesti keemiaõpikuid ja populaarteaduslikke raamatuid, näiteks 2006 "Looduslik vesi ja hämmastavad imeveed", 2007 koos kolleeg Karl Kristjan Kuivaga "Keskkond ja keemia".
