格哈德·埃特尔：表面化学释机制

王江山

71岁生日那天，德国化学家格哈德·埃特尔（Gerhard Ertl）收到了一份特殊的“礼物”—2007年诺贝尔化学奖。和大多数同行一样，他一直关注着这一学术最高奖，却从未想到，自己也会成为获奖者。当记者问“您认为瑞典皇家科学院为什么会把今年的化学奖颁给您”时，他只是微笑回答：“我真的不知道，也许你该去问评奖的人。”

有音乐天赋的小小科学家

1936年10月10日，格哈德·埃特尔出生于德国西南部城市斯图加特的巴特坎施塔特。在他3岁时，全家迁到了附近的施密登村，他就在那里度过了童年。埃特尔从小就是一个喜欢思考和实践的孩子。在那个没有电脑、电子游戏的时代，男孩子们喜欢聚集在一起打闹追逐，然而埃特尔的娱乐方式却很特别——他迷上了化学实验。很长一段时间中，埃特尔的母亲经常担忧地望着儿子的房间：那里总是传出奇怪的噪声和强烈刺鼻的气味，她从健康角度考虑，总是命令他停止这些活动。

埃特尔不愿意忤逆母亲，就只好将兴趣转移到别的地方。他开始研究收音机，从化学转向了物理。掌握收音机原理后，他经常帮家人修理机器，这回母亲再也不阻止他了。

虽然学习成绩一直很棒，但埃特尔可不是一心只想着学习的书呆子——他很有音乐天赋，从童年起就开始学习钢琴，还加入了乐队，甚至还靠着这项技能赚了不少钱。也许拥有天赋的人就是这样，无论在什么领域，都可以有一番作为。

与化学的不解情缘

很快，埃特尔要上大学了，到底选什么专业呢？他拿捏不定。考虑到自己数学成绩很优秀，适合解决困难的物理问题，他便选择了物理专业。1955年，埃特尔进入斯图加特大学，后来又到巴黎和慕尼黑进行学习和访问。那是一个群星闪耀的时代，物理学界人才辈出。埃特尔沉迷于那些学科英雄的演讲，如德布罗意（de Broglie）、约里奥（Joliot）、海森堡（Heisenberg）等。这些科学巨人给埃特尔留下了深刻的印象，也激发了他的科学热情。演讲者中的许多人都是诺贝尔奖获得者，那时年轻的埃特尔还不知道，自己在几十年后也会成为他們中的一员。

然而，临近毕业时，埃特尔忽然发现，其实自己对化学更感兴趣—他回想起少年时的化学实验，即使条件艰难，他还是很享受那段时光。于是他做了一个决定：选择物理化学方向作为自己的毕业论文项目。幸运的是，埃特尔遇到了导师海因茨·格里舍（Heinz Gerischer）。

作为20世纪杰出的电子化学家之一，格里舍对物理化学的许多问题都非常感兴趣。在埃特尔加入他在哥廷根的团队之前，格里舍就已经开发出了新的技术来研究溶液中快速反应的动力学，并因此获得了1967年的诺贝尔化学奖。

在格里舍的实验室中，埃特尔第一次接触到了真正的科学研究—他终于从小镇上的天才少年，成为了踏入科学殿堂的青年学者。

名师出高徒

在哥廷根的实验室，埃特尔的科学生涯真正展开了。他着迷于开发一种仪器来测量化学中的基本反应之一—H+和OH-对H2O的重组速率常数。

他认为这种方法可以基于微波辐射的短脉冲对水相的快速加热来实现。埃特尔信心满满，认为自己很快就能解决这个任务，然而实验和理论完全是两回事，他很快发现，这种技术的适用性非常有限，研究进入了瓶颈。

埃特尔决定换一个博士项目，进军表面科学。格里舍对埃特尔说：“如果你真的想进入一个我们知之甚少的领域，那么，与其去研究固体/液体界面（注：凡在物质相界面上所发生的物理化学现象统称为界面或表面现象），不如去想想你能从固体/气体界面中找到什么。其实我对这一领域一无所知，但如果你决心要做，我会给你足够的学术自由和全力支持，只要我能做到。”埃特尔大受感动。

表面科学领域需要很高的实验精度，必须维持足够长的表面清洁时间，而这需要超高真空（特高压）来实现。虽然受到种种条件限制，但埃特尔还是成功地将合适的仪器制作出来，用于研究锗单晶表面的反应—虽然这不是最好的选择，但也足够让他获得博士学位了。

不断成长

埃特尔开始研究氧与各种铜单晶表面的相互作用。他与自己的第一个博士生合作，将低能电子衍射（LEED）的结构信息与O2、CO和Pd（110）表面相互作用的热力学和动力学结合在一起。1968年，他成为汉诺威工业大学的物理化学教授，扩大了自己的研究队伍，继续研究金属单晶表面的小分子吸附反应。5年后，他又接过了慕尼黑大学的橄榄枝，这时，他已经走向了表面化学领域的权威位置。

埃特尔和他的团队获得了新设备，研究了新问题。比如催化氨合成的机理，比如如何通过亚稳态惰性气体原子去激发最外层原子从而了解电子性质，比如建立分子束装置，等等。这一切开启了埃特尔在气体表面动力学领域的研究。

1986年，埃特尔出任马普学会（Max Planck Society）的弗里茨·哈伯研究所所长，接替了他的导师格里舍的职位，师徒二人的精神就这样得到了完美的传承。

最棒的礼物

在研究所，埃特尔在物理化学的领域大展身手。他带领团队探究非线性动力学和时空模式的形成（包括理论），通过扫描隧道显微镜观察原子尺度上的表面过程，用飞秒激光技术研究快速表面过程的动力学，研究表面反应和原子尺度电化学中的外电子发射等项目。

从职业生涯初期到成为业界元老，埃特尔总是别具一格—他特别喜欢使用新的观察技术，比如低能电子衍射（LEED）、紫外光电子能谱（UPS）和扫描隧道显微镜（STM）等，因此常常能产生突破性的成果。比如，他发现了铂表面振荡反应这一重要现象，并利用光电子显微镜首次成像了反应过程中表面结构和覆盖范围的振荡变化；他还确定了铁催化合成氨和铂催化氧化一氧化碳的详细分子机制。除此之外，埃特尔的研究也有接地气的一面，比如可以解释燃料电池如何在不污染的情况下产生能源，催化转换器如何清洁汽车尾气，甚至铁为什么生锈，等等。

71岁生日那天，他得到了一个巨大的生日礼物—诺贝尔化学奖。瑞典皇家科学院认为埃特尔的研究为现代表面化学奠定了基础，不仅能适用于学术研究，也有利于工业发展。“表面化学甚至可以解释臭氧层的破坏，因为反应的关键步骤实际上发生在平流层的小冰晶表面。”诺贝尔化学委员会秘书阿斯特丽德（Astrid Graslund）说，埃特尔的工作为发展清洁能源铺平了道路，并将指导燃料电池的发展。

埃特尔那独特的试验思想、深刻的学术洞察和丰富的研究经历，极大地开阔了表面化学领域的视野，也真正惠及了我们每个普通人的生活。