Gerhard Erti นักเคมีรางวัลโนเบล บิดาวิชาเคมีของผิว

อ.สุทัศน์ ยกส้าน

Image # 2. Gerhard Erti นักเคมีรางวัลโนเบล บิดาวิชาเคมีของผิว

       เมื่อ Gerhard Ertl มีอายุครบ 71 ปีในวันที่ 10 ตุลาคม ค.ศ.2007 แทนที่อดีตผู้อำนวยการเคมีฟิสิกส์แห่งสถาบัน Fritz-Haber ในกรุง Berlin ประเทศเยอรมนี จะได้ของขวัญวันเกิดเป็นเน็คไท เค้ก หรือเสื้อเชิ้ต ท่านกลับได้รับของขวัญที่ยิ่งใหญ่กว่ามากอย่างนึกไม่ถึง นั่นคือการทราบข่าวว่าได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี จากผลงานพัฒนาเทคนิคเพื่อศึกษาปฏิกิริยาเคมีระหว่างโมเลกุลของแก๊สกับอะตอมที่ผิวสสาร ซึ่งองค์ความรู้นี้มีประโยชน์มหาศาลในการสร้างความเข้าใจเรื่องการเร่งปฏิกิริยาเคมี (catalysis) อธิบายการที่เหล็กเป็นสนิม การทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง รวมถึงการอธิบายว่าเวลาโมเลกุลของแก๊สปะทะผิวของแข็ง มันจะกระดอนกลับหรือถูกดึงดูดติดเข้าไป หรือแตกออกเป็นอะตอมขนาดเล็ก ก่อนเข้าทำปฏิกิริยากับอะตอมต่างๆ ที่ผิว วิทยาการสาขานี้ยังช่วยพัฒนาเทคนิคการกำจัดแก๊ส carbon monoxide จากควันในท่อไอเสียของรถยนต์ และตอบคำถามที่ว่า ผลึกน้ำแข็งในบรรยากาศชั้น stratosphere ของโลก ช่วย chlorine ในการทำลายโมเลกุลแก๊สโอโซนที่มีหน้าที่ปกป้องสุขภาพของชาวโลกอย่างไร

ทั้งนี้เพราะเหตุการณ์ที่เกิดที่บริเวณผิวของวัสดุ อาจมีโมเลกุลที่เกี่ยวข้องเพียงไม่กี่โมเลกุล และปฏิกริยาที่เกิดขึ้นอาจใช้เวลาน้อยมาก (10-15 วินาที) แต่นั่นก็มิใช่ปัญหาสำหรับ Ertl เพราะอุปกรณ์ที่เขาสร้างสามารถวิเคราะห์ได้หมด นั่นคือ Ertl ได้สร้างวิทยาการสาขาใหม่ คือ วิชาเคมีของผิว (surface chemistry)

การสร้างความเข้าใจเรื่องปฏิกริยาเคมีที่ผิวของสสาร สามารถช่วยให้นักวิจัยอธิบายได้ว่า ตัว catalyst ที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักนั้นสามารถเปลี่ยนไฮโดรเจนและไนโตรเจนเป็นแอมโมเนียที่ใช้ทำปุ๋ยสังเคราะห์ในกระบวนการ Haber-Bosch ได้อย่างไร

ในการศึกษาเรื่องนี้เมื่อ 50 ปีก่อน นักเคมีอธิบายว่าอะตอมเหล็กดึงดูดโมเลกุลไนโตรเจนเข้ามาเพื่อเตรียมตัวรับโมเลกุลไฮโดรเจน แต่ไม่รู้ชัดว่า โมเลกุลไนโตรเจนซึ่งมีอะตอมไนโตรเจน 2 อะตอมที่ถูกยึดโยงด้วยพันธะเคมีอย่างรุนแรงนั้นจะแตกตัว หรือไม่แตกตัวเข้าเวลาทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน

ในการตอบปัญหานี้ Ertl ได้ใช้เทคนิคด้าน spectroscopy และอุปกรณ์อื่นๆ ที่แสดงให้เห็นขั้นตอนของการเกิดปฏิกิริยาเคมี
N2 + 3H -> 2NH3
ว่ามี 5 ขั้นตอนก่อนจะได้แอมโมเนีย โดยที่โมเลกุลไนโตรเจน และไฮโดรเจน เมื่อตกกระทบผิวของผงเหล็ก มันจะแตกแยกตัว แล้วจับคู่กันใหม่จนได้แอมโมเนีย
เมื่อทราบข่าวว่าได้รับรางวัลโนเบลแต่เพียงผู้เดียว Ertl รู้สึกว่า มีนักวิทยาศาสตร์อีกหลายท่านที่สมควรได้รับรางวัลร่วมกับเขา เช่น Gabor Somorjai แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ซึ่งความเห็นนี้นักเคมีอื่นๆ อีกหลายคนซึ่งก็เห็นพ้องว่า Somorjai สมควรได้รางวัลด้วย

ในการตอบข้อสงสัยนี้ Somorjai คิดว่า การที่เขาไม่ได้รับรางวัลคงเพราะเมื่อประมาณ 20 ปีก่อนนี้ เขาได้เบนความสนใจจากการศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่ผิวของสสารที่บริเวณภายนอกสสารเป็นสุญญากาศ ไปสนใจปฏิกริยาเคมีที่ผิวระหว่างของแข็งกับของเหลว แต่ Ertl ไม่เคยเบี่ยงเบนความสนใจของตนเลยตลอดระยะเวลาอันยาวนาน 

Image # 3. Gerhard Erti นักเคมีรางวัลโนเบล บิดาวิชาเคมีของผิว

        Gerhard Ertl เกิดเมื่อวันที่ 10 ตุลาคม ค.ศ.1936 ที่เมือง Bad Cannstatt ใกล้เมือง Stuttgart ในเยอรมนี เมื่ออายุ 3 ขวบ ครอบครัวได้อพยพไปอยู่ที่หมู่บ้าน Schmiden เพื่อให้ Ertl ได้เข้าเรียนชั้นประถม

เมื่ออายุ 10 ขวบ Ertl ได้เข้าเรียนที่โรงเรียนมัธยม Johannes Kepler และสำเร็จการศึกษาจากโรงเรียนนี้ เมื่ออายุ 19 ปี แม้จะเป็นคนที่เรียนหนังสือได้ดี แต่ก็ไม่เด่นมาก Ertl เล่าว่า ณ เวลานั้นเขายังรู้สึกสนใจวิทยาศาสตร์และประวัติศาสตร์บ้าง แต่ไม่รู้จักคอมพิวเตอร์เลย เพราะในสมัยนั้นคอมพิวเตอร์ยังไม่มีใช้ ดังนั้น Ertl จึงทำการทดลองเคมีที่บ้าน ซึ่งทำให้แม่มีความกังวลว่า กลิ่น และควันที่พวยพุ่งออกจากหลอดทดลองอาจทำให้ Ertl มีสุขภาพไม่ดี จึงขอให้บุตรชายเลิกทดลองเคมีตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

ด้วยเหตุนี้ Ertl จึงหันไปสนใจการเล่นวิทยุแทน และเริ่มรักฟิสิกส์ประกอบกับการมีความรู้คณิตศาสตร์ค่อนข้างดี ดังนั้น Ertl จึงตัดสินใจเรียนฟิสิกส์ระดับปริญญาตรีที่มหาวิทยาลัย Stuttgart และได้ไปเรียนฟิสิกส์บางวิชาที่มหาวิทยาลัย Paris กับ Louis de Broglie และที่มหาวิทยาลัย Ludwig Maximilians กับ Werner Heisenberg เมื่ออายุ 25 ปีก็ได้รับ Diploma และหวนกลับไปเรียนปริญญาเอกในสาขาเคมีตามที่เคยรักและสนใจ โดยตั้งใจจะทำวิทยานิพนธ์กับ Heinz Gerischer ซึ่งเป็นนักเคมีเชิงไฟฟ้าที่เก่งกล้าสามารถมาก แต่ในเวลาเดียวกันก็สนใจการวิจัยด้านเคมีฟิสิกัลด้วย

ในช่วงเวลานั้น Manfred Eigen แห่งมหาวิทยาลัย Göttingen ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1967 จากการพัฒนาเทคนิคการศึกษาพลศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมีในสารละลายที่เกิดขึ้นเร็วมาก ข่าวที่ยิ่งใหญ่นี้ทำให้ Gerischer ซึ่งเป็นที่ปรึกษาของ Ertl คิดต่อไปว่า เทคนิคของ Eigen คงสามารถวัด rate constant ของปฏิกิริยาเคมีได้ เช่น ในปฏิกริยาการรวมตัวระหว่าง H+ กับ OH- เป็น H2O เมื่อ Ertl ทำวิจัยเรื่องนี้ได้สำเร็จ เขาได้ขอปัญหาใหม่จากอาจารย์ที่ปรึกษาเพื่อเป็นหัวข้อการทำวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอก และอาจารย์ก็ได้บอกว่า แทนที่จะศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่ผิวรอยต่อระหว่างของแข็งกับของเหลวให้ Ertlศึกษาเหตุการณ์ที่ผิวรอยต่อระหว่างของแข็งกับแก๊สแทน เพราะ ณ เวลานั้นแทบไม่มีใครในโลกมีความรู้เรื่องนี้เลย อาจารย์ Gerischer เองก็ไม่มีความรู้เรื่องนี้มากเช่นกัน แต่ถ้า Ertl เลือกโจทย์นี้ทำ ก็จะมีเสรีภาพในการทำวิจัยมาก ตัวอาจารย์ Gerischer เองก็จะสนับสนุนอย่างเต็มที่

เมื่อ Gerischer ได้โอนไปรับตำแหน่งศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัย Munich ศิษย์ Ertl จึงได้ติดตามอาจารย์ไปด้วย และเริ่มทำวิจัยเรื่องวิทยาศาสตร์ของผิวทันที

Ertl ได้พบว่า ในศาสตร์ด้านนี้ เงื่อนไขเบื้องต้นของการวิจัยคือ ผิวของของแข็งจะต้องสะอาด และต้องไร้สิ่งแปลกปลอม ตลอดการทดลองซึ่งอาจต้องใช้เวลานานเป็นชั่วโมง ดังนั้น Ertl ต้องมีอุปกรณ์การสร้างสุญญากาศระดับสุดยอด (ultrahigh vacuum) และ Ertl ได้ใช้อุปกรณ์นี้ศึกษาปฏิกิริยา 2H2 + O2 ->2H2O ที่เกิดที่ผิวของผลึก germanium โดยใช้อุปกรณ์ low energy electron diffraction (LEED) ช่วยวิเคราะห์โครงสร้างของอะตอมที่ผิวผลึก ขณะเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ผิวนั้น

Ertl สำเร็จการศึกษาปริญญาเอกในปี 1965 ขณะนั้นเขามีอายุเพียง 29 ปี และได้สมรสกับ Barbara Maschek ในเวลาต่อมาครอบครัวมีลูก 2 คน และปัจจุบันมีหลาน 7 คน

หลังสำเร็จการศึกษาปริญญาเอก Ertl ได้เริ่มทำงานวิจัยต่อ โดยมุ่งศึกษาอันตรกริยาระหว่างออกซิเจน และคาร์บอนมอนอ๊อกไซด์ที่ผิวของธาตุ palladium ผลงานเหล่านี้ทำให้ได้รับแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์เคมีฟิสิกัลแห่ง Technical University of Hannover และได้โอนย้ายไปเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัย Munich ในปี 1973 

Image # 4. Gerhard Erti นักเคมีรางวัลโนเบล บิดาวิชาเคมีของผิว

       ผลงานที่เด่นมากในช่วงนี้คือ การสร้างความเข้าใจกลไกการสังเคราะห์แอมโมเนีย โดยใช้เหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่มีใครเข้าใจเป็นเวลานานร่วม 50 ปี นอกจากนี้ Ertl ก็ยังได้ศึกษาปฏิกิริยาเคมีของอะตอมแก๊สเฉื่อยด้ว

​เมื่อได้รับข้อเสนอให้ไปกำรงตำแหน่งผู้อำนวยการของสถาบัน Fritz-Haber ที่ Berlin Ertl ได้ตอบรับและรับตำแหน่งเป็นหัวหน้ากลุ่มวิจัยที่สนใจพลศาสตร์ของอะตอมที่ผิวขณะเกิดปฏิกริยาเคมีอย่างรวดเร็ว โดยใช้เลเซอร์ที่ปล่อยคลื่นแสงออกมาเป็นห้วงๆ นาน 10-15วินาที

ถึงเดือนตุลาคม 2004 Ertl ก็เกษียณชีวิตทำงานและใช้ชีวิตหลังเกษียณเขียนหนังสือและเป็นวิทยากรบรรยายวิชาการ นอกจากรางวัลโนเบลแล้ว Ertl ยังได้รับรางวัล Japan Prize ในปี 1992 และรับรางวัล Wolf Prize ร่วมกับ Gabor Somorjai แห่งมหาวิทยาลัย California ที่ Berkeley ในปี 1998

​ความสำเร็จของ Ertl เกิดจากการรู้จักใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสมหลายชนิดในการทดลอง และการมีความเพียรพยายามใช้เทคนิคที่หลากหลายเพื่อศึกษาอันตรกริยาระหว่าง photon และอิเล็กตรอนกับอะตอมที่ผิวสสาร โดยได้เชิญผู้เชี่ยวชาญของแต่ละเทคนิคหลายคนมาที่ห้องปฏิบัติการเพื่อสอน Ertl และลูกศิษย์ให้รู้วิธีใช้ จนทำให้ Ertl สามารถมีอุปกรณ์สร้างสุญญากาศที่มีคุณภาพระดับสุดยอดได้

​ในการศึกษาระยะแรก Ertl ใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำ (low-energy electron diffraction LEED) ซึ่งเป็นวิธีการที่ Clinton Davisson และ Lester Germer เคยใช้ในการพิสูจน์ว่าอิเล็กตรอนมีสมบัติคลื่น เพราะแสดงปรากฏการณ์เลี้ยวเบนได้ เวลาให้อิเล็กตรอนพลังงานต่ำนั้นตกกระทบผิวของผลึก (ผลงานนี้ทำให้ Davisson ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ร่วมกับ G.P. Thomson ในปี 1937) แต่การใช้ LEED วิเคราะห์สภาพของผิวยังทำไม่ได้ จนกระทั่งนักวิทยาศาสตร์มีเทคโนโลยีสุญญากาศที่ดีมาก

ในปี 1960 Ertl ได้ใช้ LEED ศึกษาโครงสร้างของผิวผลึก และการจัดเรียงตัวของอะตอมและโมเลกุลต่างๆ ที่ผิว ในเวลาต่อมา Ertl ได้ขยายความสนใจไปที่การเร่งปฏิกิริยาเคมี โดยใช้ผิวเป็นตัวเร่งปฏิกริยาด้วยวิธีเปลี่ยนโครงสร้างของพันธะเคมีในโมเลกุลที่มาสัมผัสผิว และคุณประโยชน์หนึ่งของผลงานนี้คือการสร้างความเข้าใจในกระบวนการสังเคราะห์แอมโมเนียของ Haber-Bosch จากไนโตรเจนและไฮโดรเจน

​นักเคมีได้รู้มาเป็นเวลานานแล้วว่า พันธะสาม (triple bond) ระหว่างอะตอมไนโตรเจนนั้น เป็นพันธะที่รุนแรงมากที่สุดพันธะหนึ่ง จนแทบไม่มีปฏิกิริยาเคมีใดๆ สามารถทำลายพันธะนี้ได้ ดังนั้นปฏิกิริยาเคมี N2+3H2 -> 2NH3 จึงเกิดขึ้นน้อย

​ในปี 1913 เทคนิคของ Fritz-Haber ซึ่งได้รับการดัดแปลงโดย Carl Bosch เพื่อสร้าง NH3 ในปริมาณมาก ด้วยการให้ความร้อนแก่กระแสโมเลกุลของไนโตรเจน (N2) และไฮโดรเจน (H2) ขณะกระแสเคลื่อนที่ผ่านของผสมระหว่างเหล็กกับโลหะอื่นๆ ทำให้ได้ แอมโมเนีย (NH3) ในปริมาณมาก แต่ไม่มีใครรู้ว่า เพราะเหตุใด (ทั้งๆ ที่ Haber ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1918 จากผลงานนี้) คำถามที่เป็นปัญหาคือ โมเลกุล N2 ทำปฏิกิริยาโดยตรงกับโมเลกุล H2 หรือ N2 แยกตัวเป็น N กับ N และ H2 แยกตัวเป็น H กับ H ก่อนเข้าทำปฏิกิริยากัน

​การรู้ขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยาจะทำให้รู้วิธีทำให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดเร็วขึ้น

​ในปี 1981 Ertl ได้สังเกตเห็นว่า ที่อุณหภูมิระหว่าง 400 เคลวินกับ 600 เคลวิน อะตอมไนโตรเจนที่เกาะติดที่ผิวไม่มีพลังงานมากพอที่จะเคลื่อนที่ไปรวมกันเป็นโมเลกุลไนโตรเจน ซึ่งจะหลุดออกจากผิว ในขณะที่โมเลกุลอื่นๆ จะไม่เกาะติดผิว ดังนั้น Ertl จึงคิดว่า ถ้าเขาควบคุมอุณหภูมิของระบบให้อยู่ในช่วง 400-600 เคลวิน ดังกล่าว แอมโมเนียจะเกิดได้ตามขั้นตอนต่อไปนี้​คือเริ่มจาก (1/2)N2 + (3/2)H2 -> Nad + 3Had ->NHad + 2Had ->NH2,ad +NH3,ad-> NH3
​.ในที่นี้ ​Nad คือ อะตอมไนโตรเจนที่เกาะที่ผิว
​Had คือ อะตอมไฮโดรเจนที่เกาะผิว
​และ​NH3 คือ แก๊สแอมโมเนีย
​เทคนิคของ Ertl จึงอธิบายกระบวนการ Haber-Bosch ได้
นอกจากนี้ Ertl ยังได้ศึกษาปฏิกิริยาการเติมออกซิเจนในคาร์บอนมอนอ็อกไซด์ด้วย (CO) ซึ่ง CO นี้เป็นแก๊สมีพิษที่เกิดจากการเผาไหม้ที่ยังไม่สมบูรณ์ ดังนั้นเวลาท่อไอเสียปล่อย CO ออกมามาก นักเคมีจึงต้องเปลี่ยน CO เป็น CO2 ให้ได้มากที่สุดและเร็วที่สุด โดยการให้ CO ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน และพบว่า ปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องในเรื่องนี้ขึ้นกับตัวเร่งปฏิกริยาซึ่งอาจใช้โลหะหลายชนิด แต่ชนิดที่เป็นที่นิยมมากที่สุดคือ platinum

สำหรับขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยานั้น Ertl ได้พบว่า โมเลกุลของ CO กับ O2 จะไปเกาะติดที่ผิวโลหะ ในเวลาต่อมาโมเลกุล O2 จะแยกตัวเป็นอะตอมออกซิเจน 2 อะตอมซึ่งจะไปเกาะติดที่ผิว จากนั้นโมเลกุล CO จะเข้ารวมกับอะตอมออกซิเจนที่อยู่โดดๆ นั้น เป็นโมเลกุล CO2 ที่จะหลุดออกจากผิวโลหะทันที

ลุถึงปี 1970 Ertl ได้สังเกตเห็นเพิ่มเติมว่า ในปฏิกิริยาการเติมอ็อกซิเจนโดยใช้ platinum เป็นตัวเร่งปฏิกริยานั้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะไม่คงตัว คือ แปรตามเวลา ในการอธิบายการทดลองนี้ Ertl ได้พบว่า ผิวของผลึก Pt ที่มีดัชนี Miller เป็น 100 ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงขึ้นลงตามเวลา แต่ผิว 111 ไม่มีผลอันใด เขาจึงอธิบายว่า เหตุการณ์เกิดขึ้นเพราะอะตอมที่ผิวผลึก เวลารับโมเลกุลของแก๊สจะมีการจัดเรียงตัวใหม่ แต่ในกรณีผิว Pt (111) อะตอมที่ผิวไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ

เหล่านี้คือ องค์ความรู้ที่ Gerhard Ertl พบ