Mit dem Nobelpreis für Chemie wird in diesem Jahr der Physikochemiker Gerhard Ertl ausgezeichnet, der bis zu seiner Emeritierung 2004 am Fritz-Haber-Institut in Berlin forschte. Ertl hat eine Möglichkeit gefunden, Oberflächen genauestens zu untersuchen und damit den Ablauf chemischer Reaktionen auf solchen Oberflächen aufzuklären. Damit hat er den Grundstein der modernen Oberflächenchemie gelegt, einem Wissenschaftszweig, der unter anderem so wichtige Prozesse wie die Kunstdüngerherstellung oder die Abgasreinigung durch Katalysatoren im Auto behandelt. Ertl erhält den Preis, weil er aufgezeigt hat, wie man zuverlässige Ergebnisse in diesem Forschungsgebiet erhält, begründet das Nobel-Komitee seine Entscheidung. Für Ertl ist der Nobelpreis ein Geburtstagsgeschenk: Er wird heute 71 Jahre alt.
Wenn Moleküle aus der Gasphase auf feste Oberflächen treffen und dort haften bleiben, verändern sich ihre Eigenschaften ? häufig so sehr, dass sie zerfallen, mit anderen adsorbierten Molekülen reagieren oder auch mit der Oberfläche selbst wechselwirken. Solche Kontakte zwischen Gasen und festen Oberflächen sind alles andere als selten. So ist beispielsweise die überall im Alltag vorkommende Korrosion, also etwa das Rosten von Eisen, eine Reaktion zwischen einer Metalloberfläche und darauf adsorbiertem Sauerstoff.
Und auch in Technik und Industrie gehören Reaktionen an Oberflächen zu den wichtigsten Prozessen überhaupt. Bei der Kunstdüngerherstellung beispielsweise reagieren Stickstoff und Wasserstoff auf einer Metalloberfläche miteinander, in Autokatalysatoren wird Kohlenmonoxid auf einer Platinoberfläche zu Kohlendioxid, Brennstoffzellen basieren auf einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff auf Platin, und auch in der Mikroelektronik nutzt die chemische Gasphasenabscheidung Oberflächenreaktionen, um extrem dünne Halbleiterschichten zu erzeugen.
Was bei solchen Oberflächenreaktionen jedoch tatsächlich passiert, ist ungemein schwierig zu beobachten ? vor allem, weil die Oberflächen so reaktiv sind, dass sie bei Kontakt mit Luft oder anderen Gasen sofort von den verschiedensten Molekülen bedeckt werden. Die vielfältigen Reaktionen zwischen diesen Substanzen erschweren es zudem, eine einzelne isoliert zu betrachten. Genau das habe Ertls Arbeit möglich gemacht, schreibt das Komitee: Er habe immer alle verfügbaren Techniken genutzt, sie kombiniert, ständig durch neue ergänzt und so systematisch eine generelle Methodik für die Oberflächenchemie geschaffen.
Illustrieren lässt sich diese Herangehensweise am Beispiel des Haber-Bosch-Verfahrens, einer der Schwerpunkte von Ertls Arbeit. Es ist der erste Schritt bei der Herstellung von Dünger und verwandelt den Stickstoff der Luft durch Reaktion mit Wasserstoff in Ammoniak, aus dem dann für Pflanzen nutzbare Stickstoffverbindungen gewonnen werden können. Schon lange ist bekannt, dass für die Reaktion feine Eisenkörnchen als Katalysatoren nötig sind. An deren Oberfläche heften sich die beiden Reaktionspartner an und können so leichter miteinander reagieren. Was dabei aber im Detail passiert, konnte erst Ertl aufklären.
Er verwendete dazu ein idealisiertes System, in dem reines Eisen mit gleichmäßiger Oberfläche in einer Vakuumkammer kontrolliert mit den beiden Gasen in Kontakt gebracht wurde. Eine der ersten Fragen lautete: Reagiert der Stickstoff in der atomaren Form oder als diatomiges Molekül mit den Wasserstoffatomen? Auf der Suche nach der Antwort kombinierte Ertl verschiedene Methoden. Er maß beispielsweise, ob sich die Stickstoffkonzentration auf der Eisenoberfläche bei Anwesenheit von Wasserstoff veränderte, bestimmte mit Hilfe diverser spektroskopischer Methoden die chemische Umgebung der Reaktionspartner und untersuchte auch die Struktur der Eisenoberfläche.
Zusammen ergaben die Messungen, dass die Stickstoffmoleküle zuerst in zwei Stickstoffatome gespalten werden und dann erst mit dem Wasserstoff reagieren. Ertl konnte aus seinen Messungen auch ablesen, dass genau diese Reaktion die langsamste und damit die geschwindigkeitsbestimmende der ganzen Reaktionskaskade ist ? eine Information, die beispielsweise nötig ist, um die Effizienz des Verfahrens zu verbessern.
Auch die restlichen Reaktionsschritte stellten den Physikochemiker vor weitere Herausforderungen: Sie waren so schnell, dass sie nicht mit den bis dahin verwendeten Methoden untersucht werden konnten. Also drehte Ertl die Reaktion kurzerhand um und beobachtete, wie Ammoniak auf der Oberfläche in Stickstoff und Wasserstoff zerfällt.
Es seien vor allem der kreative Einsatz ungewöhnlicher Verfahren und die Kombination verschiedener Methoden gewesen, die schließlich zum Erfolg geführt haben, erklärt das Komitee. Die Kombination ermöglichte es beispielsweise, die äußerst schwachen Signale der Reaktionen, die ja nur zwischen einigen wenigen Molekülen stattfinden, eindeutig zu identifizieren. Das erlaubte wiederum, Daten über die Geschwindigkeiten der einzelnen Schritte und die Größe der Aktivierungsenergien zu gewinnen ? und diese können als Grundlage zur Berechnung des Reaktionsverlaufes auch unter anderen Bedingungen und in praktischen Anwendungen dienen. Der Verdienst Ertls gehe damit weit über die genaue Aufklärung der Haber-Bosch-Synthese hinaus, da seine Ansätze für praktisch alle Oberflächenreaktionen herangezogen werden können und sowohl in der Industrie als auch in der Grundlagenforschung Anwendung finden.
Trotz seiner Emeritierung arbeitet Ertl weiter an Fragestellungen der Oberflächenchemie, wobei er sich wie in seiner Anfangszeit auf Wasserstoff auf Metalloberflächen konzentriert. Er wolle, berichtet das Komitee, damit “in der ihm eigenen Art die neuen, ständig aufkommenden experimentellen Techniken nutzen” ? und damit dem Werkzeugkoffer der Oberflächenchemie weitere nützliche Hilfsmittel hinzufügen.
Ilka Lehnen-Beyel
