Kemi på ytan sätter djupa spår

Gerhard Ertl fick en svårslagen present på sin 71-årsdag, tio miljoner kronor och äran av ett Nobelpris – helt för sig själv. Möjligen skulle hans 60-årspresent ha kunnat mäta sig: ett musikstycke specialkomponerat till hans egna rörliga bilder av kolmonoxid som reagerar med syrgas på en yta av platina.

Filmen är svartvit och visar ljusa och mörka partier som jagar varandra, snirklar sig och böljar till ljudet av flöjt, klarinett, cello och piano. Bortsett från musiken – komponerad av den australiske tonsättaren Philip Mayers – är detta en process som pågår i den katalytiska avgasrenaren på vilken bil som helst.

Det handlar om ytkemi, ett område i gränslandet mellan kemi och fysik. Gerhard Ertl har under hela sitt vuxna liv utforskat processer på metaller och andra ytor. På fritiden är han en flyhänt pianist. Som forskare har han beskrivits som metodisk, noggrann och ihärdig.

– Det stämmer nog att jag har några av de typiskt tyska dygderna, säger Gerhard Ertl på telefon från sitt laboratorium vid Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft i Berlin.

Forskningen gick knackigt

Envisheten har han kombinerat med ett kreativt sätt att utnyttja den senaste tekniken för att ta reda på vad som händer när molekyler i en gas träffar en fast yta. Flertalet studsar bort. De som blir kvar kan reagera med ytan, eller med andra molekyler som också har fastnat. Sådana ytkemiska processer ingår i tillverkning av allt från gödsel till datorchips. Gerhard Ertls grundläggande forskning kan också bidra till att förklara vad som sker när järn rostar och när freoner tunnar ut ozonlagret genom reaktioner på iskristaller långt upp i atmosfären.

Det senaste Nobelpriset för renodlad ytkemi gick till amerikanen Irving Langmuir år 1932. I likhet med Gerhard Ertl var han ensam pristagare.

Efter Langmuir gick den ytkemiska forskningen knackigt under många år, av två skäl. För det första är det svårt att framställa ytor som är tillräckligt rena och regelbundna. Minsta förorening ger tokiga resultat. För det andra saknades metoder för att direkt se hur molekyler beter sig på en yta.

Den framväxande halvledarindustrin under 1950- och 1960-talen hävde stiltjen. Metoder som var utvecklade för att utforska och förändra egenskaper hos halvledare, visade sig fungera utmärkt även inom annan ytkemi. Gerhard Ertl var en av dem som först insåg möjligheterna.

Hans tidiga arbete handlade om hur väte reagerar på ytor av metaller som platina, nickel och palladium. Sådana processer ingår i många batterier.

Katalysator ger mat för dagen

Nästa stora satsning gällde Haber-Bosch-processen, en kemisk reaktion som ligger bakom all tillverkning av konstgjort kvävegödsel. Den har blivit kallad ”befolkningsbombens knallhatt”. Utan handelsgödsel skulle två femtedelar av mänskligheten sakna mat för dagen, enligt en artikel i tidskriften Nature för några år sedan. I den nästan hundra år gamla processen reagerar kvävgas från luften med vätgas och bildar ammoniak. Reaktionen sker vid högt tryck i närvaro av en katalysator som innehåller järn. Ammoniak kan sedan lätt omvandlas till urea – huvudingrediensen i handelsgödsel.

Gerhard Ertl berättar att han som ung forskare träffade en amerikansk kemist som under ett halvsekel förgäves hade försökt ta reda på om vätet i processen reagerar med kvävemolekyler eller med enstaka kväveatomer.

– Jag fick en känsla av att det skulle gå att svara på frågan, säger Gerhard Ertl.

Och det gick. Rätt svar är att vätet reagerar med kväveatomer. För att komma fram till det var Gerhard Ertl och hans många medarbetare tvungna att undersöka processen framlänges och baklänges. De använde en stor arsenal av invecklade – och dyra – spektroskopiska metoder. Så vad har det lett till? Effektivare gödselfabriker?

– Nej, det tror jag inte. Ingenjörer har nog redan förfinat just den processen så mycket det går, säger Gerhard Ertl.

Men han understryker att alla försök att förbättra en kemisk process kräver att man förstår den i detalj. Haber-Bosch-processen är ovanligt enkel, och därför lämplig för grundläggande forskning. Men resultaten har betydelse för vitt skilda reaktioner på fasta ytor.

Avgaser visade vägen

Den katalytiska avgasreningen i en bil är mer invecklad. En viktig uppgift för katalysatorn är att omvandla giftig kolmonoxid till koldioxid. Tidigare antog ingenjörerna att katalysatorn underlättar reaktionen utan att förändras alls. Skälet var att forskningen om katalysens mekanismer i huvudsak hade skett vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten, och under mycket lågt tryck. I en sådan miljö går det mesta trögt.

Gerhard Ertl har studerat hur en katalysator av platina påskyndar reaktionen vid högre temperaturer och tryck. Och då blir bilden annorlunda. Det mest intressanta är att hastigheten i reaktionens olika delsteg varierar både i tid och rum. Denna kemiska dynamik ger upphov till skiftande mönster på katalysatorns yta. Sådana mönster blev inspirationen till det stycke konstmusik som Gerhard Ertl fick på sin 60-årsdag.

Det krävdes åratal av hårt arbete och en kombination av flera slags tekniskt avancerade mikroskop för att fånga de rörliga bilderna av svartvita spiraler, stående vågor och rent kaotiska mönster. Men forskarna fick lön för mödan. Resultaten har visat sig vara värdefulla.

– Vi använder de dynamiska processer som Gerhard Ertl har beskrivit i datormodeller för att utveckla avgassystem, säger Bengt Andersson, professor i kemisk reaktionsteknik vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg.

Hans forskargrupp samarbetar med biltillverkare som Volvo, Ford och Saab. Datormodellerna är viktiga för att göra katalysen så effektiv som möjligt, från kallstart ända upp till närmare 700 grader. Utvecklingen har gått så långt att det numera är nästan omöjligt att bli kolmonoxidförgiftad av att starta bilen i ett stängt garage.

Solceller kan bli bättre

Gerhard Ertl har publicerat över 600 vetenskapliga arbeten inom ytkemi under sin karriär. Trots att han tillbringar allt mer av sin tid i sitt fritidshus i Toscana fortsätter han med forskningen.

Ytkemi har funnits med i spekulationerna om ett kemipris under flera år. Vid sidan om Gerhard Ertl har tänkbara kandidater varit Jens Nørskov vid Danmarks Tekniske Universitet och Gabor Somorjai vid University of California, Berkeley. Men Kungl. Vetenskapsakademien valde alltså att ge ett odelat pris till Gerhard Ertl.

Den svensk som känner honom bäst är Bengt Kasemo, professor i kemisk fysik vid Chalmers tekniska högskola (där Gerhard Ertl blev hedersdoktor år 2003).

– Ett mycket välförtjänat pris! Det här har jag hoppats på i tio år, säger han.

Den belönade forskningen har redan gett ny kunskap om kemiska reaktioner på nanopartiklar. Detta kan enligt Bengt Kasemo leda till effektivare solceller och bränsleceller, apparater som omvandlar bränslen som vätgas eller metanol direkt till elektrisk energi.