گرهارد ارتل

گرهارد ارتل
متولد	۱۰ اکتبر ۱۹۳۶
محل زندگی	برلین، آلمان
ملیت	آلمانی
جوایز	جایزهٔ نوبل شیمی ۲۰۰۷؛ جایزهٔ ژاپن؛ عضویت در آکادمی‌های علمی
همسر	باربارا ماشک
فرزندان	دو فرزند

گرهارد ارتل (Gerhard Ertl؛ زادهٔ ۱۰ اکتبر ۱۹۳۶) شیمی‌دان و شیمی‌فیزیک‌دان آلمانی است. او در سال ۲۰۰۷ جایزهٔ نوبل شیمی را به‌تنهایی دریافت کرد. انگیزهٔ رسمی جایزه «برای مطالعات فرایندهای شیمیایی روی سطوح جامد» اعلام شد.

پژوهش‌های ارتل به توضیح سازوکار واکنش‌هایی کمک کرد که در سطح فلزات و دیگر جامدات رخ می‌دهند. بسیاری از واکنش‌های صنعتی در تماس میان گاز و یک سطح جامد انجام می‌شوند و سرعت و مسیر آن‌ها به ساختار اتمی سطح وابسته است.

ارتل روش‌هایی برای مشاهده و اندازه‌گیری این فرایندها در مقیاس اتمی توسعه داد و نشان داد که چگونه می‌توان حرکت مولکول‌ها، جذب آن‌ها روی سطح و تبدیل‌شدنشان به محصولات تازه را بررسی کرد.

کار او در حوزه‌هایی مانند تولید کودهای مصنوعی، کاتالیز خودرو، پیل‌های سوختی، زنگ‌زدگی آهن، صنعت نیمه‌رساناها و بررسی نابودی لایهٔ اوزون اهمیت پیدا کرد. به همین دلیل، شیمی سطح امروزی تا اندازهٔ زیادی بر روش‌شناسی تجربی‌ای استوار است که ارتل در طول چند دهه توسعه داد.

زندگی و تحصیلات

گرهارد لودویگ ارتل در باد کانشتات، بخشی از شهر اشتوتگارت در جنوب‌غربی آلمان، به دنیا آمد. خانوادهٔ او در سال‌های کودکی به روستای نزدیک اشمیدن نقل مکان کردند. ارتل در سال ۱۹۵۵ تحصیل در دانشگاه فنی اشتوتگارت را آغاز کرد و در دورهٔ دانشجویی مدتی نیز در دانشگاه‌های پاریس و مونیخ به تحصیل پرداخت. او در سال ۱۹۶۱ مدرک خود را دریافت کرد.

او ابتدا به فیزیک علاقه داشت، اما در جریان کار پایان‌نامهٔ دانشگاهی خود به شیمی بازگشت و شیمی فیزیکی را به‌عنوان حوزهٔ اصلی برگزید.

استاد راهنمایش، هاینتس گریشر، از دانشمندان برجستهٔ الکتروشیمی بود. گریشر به ارتل پیشنهاد کرد به جای مطالعهٔ سطح جامد–مایع، حوزهٔ کم‌ترشناخته‌شدهٔ سطح جامد–گاز را بررسی کند. این پیشنهاد مسیر علمی ارتل را تغییر داد و او را به یکی از پیشگامان علم سطح رساند.

ارتل برای پژوهش دکترا به ساخت دستگاه‌هایی روی آورد که بتوانند سطح بلورهای جامد را در خلأ بسیار زیاد پاک و کنترل کنند. او در سال ۱۹۶۵ دکترای شیمی فیزیکی خود را از دانشگاه فنی مونیخ دریافت کرد.

ارتل در جریان همین دوره با باربارا ماشک آشنا شد؛ آن دو ازدواج کردند و صاحب دو فرزند شدند.

شکل‌گیری علم سطح

مطالعهٔ واکنش‌های سطحی دشوار است، زیرا سطح جامد در تماس با هوا به‌سرعت با مولکول‌های گاز و ناخالصی‌ها پوشیده می‌شود. برای آن‌که رفتار واقعی سطح بررسی شود، پژوهشگر باید آن را در شرایط خلأ فوق‌بالا نگه دارد و بتواند ترکیب، ساختار و دمای آن را با دقت کنترل کند. ارتل در دههٔ ۱۹۶۰ از فناوری‌های خلأیی استفاده کرد که در صنعت نیمه‌رساناها در حال توسعه بود.

او مجموعه‌ای از روش‌های تجربی را کنار هم قرار داد. این روش‌ها شامل خلأ فوق‌بالا، پراش الکترون‌های کم‌انرژی برای تعیین آرایش اتم‌های سطح، طیف‌سنجی و اندازه‌گیری سرعت واکنش بود. مزیت کار ارتل تنها در استفاده از یک ابزار خاص نبود؛ او نشان داد که چگونه نتایج روش‌های مختلف را می‌توان ترکیب کرد تا تصویر کاملی از یک واکنش سطحی به دست آید.

ارتل ابتدا بر برهم‌کنش اکسیژن با سطوح بلورهای مس و سپس بر واکنش اکسیژن و مونوکسید کربن با سطوح پالادیم تمرکز کرد. این مطالعات نشان دادند که واکنش شیمیایی در سطح فلز مرحله‌های گوناگونی دارد. مولکول‌ها ممکن است ابتدا روی سطح جذب شوند، پیوندهایشان تغییر کند، در امتداد سطح حرکت کنند و سپس به شکل محصول تازه از سطح جدا شوند.

فرایند هابر–بوش

یکی از مهم‌ترین موضوعات پژوهشی ارتل، سازوکار کاتالیزی فرایند هابر–بوش بود. در این فرایند، نیتروژن موجود در هوا با هیدروژن واکنش می‌دهد و آمونیاک تولید می‌کند. آمونیاک مادهٔ اولیهٔ اصلی بسیاری از کودهای نیتروژنه است و تولید آن نقش مهمی در کشاورزی مدرن دارد.

واکنش نیتروژن و هیدروژن در شرایط معمول به‌آسانی انجام نمی‌شود. سطح آهن به‌عنوان کاتالیزور، مولکول‌های نیتروژن و هیدروژن را جذب می‌کند و شکستن پیوندهای آن‌ها و تشکیل آمونیاک را آسان‌تر می‌سازد. ارتل با مطالعهٔ مرحله‌های واکنش روی سطح آهن، به توضیح علمی فرایندی کمک کرد که از نظر اقتصادی و غذایی اهمیت جهانی دارد.

این کار نمونه‌ای از پیوند میان پژوهش بنیادی و صنعت است. شناخت رفتار مولکول‌ها روی سطح کاتالیزور به مهندسان امکان می‌دهد مواد کاتالیزی بهتر طراحی کنند، دما و فشار فرایند را بهینه سازند و مصرف انرژی و تولید مواد جانبی را کاهش دهند.

اکسایش مونوکسید کربن و کاربردهای صنعتی

ارتل همچنین اکسایش مونوکسید کربن روی سطح پلاتین را بررسی کرد. این واکنش در کاتالیزورهای خودرو اهمیت دارد، زیرا مونوکسید کربن سمی را به دی‌اکسید کربن تبدیل می‌کند. پژوهش دربارهٔ این واکنش نشان داد که حتی در یک سطح ظاهراً یکنواخت، واکنش می‌تواند الگوهای زمانی و مکانی پیچیده ایجاد کند.

نتایج چنین مطالعاتی برای طراحی مبدل‌های کاتالیستی و کنترل آلودگی هوا اهمیت دارد. شیمی سطح همچنین برای درک عملکرد پیل‌های سوختی مهم است؛ در این سامانه‌ها واکنش‌های الکتروشیمیایی روی سطوح الکترودها انجام می‌شوند. صنعت نیمه‌رسانا نیز برای ساخت لایه‌های بسیار نازک و پاک به کنترل واکنش‌های سطحی نیاز دارد.

فعالیت دانشگاهی و پژوهشی

ارتل پس از دریافت مدرک دکترا به پژوهش در دانشگاه فنی مونیخ ادامه داد و در سال ۱۹۶۷ درجهٔ استادیاری علمی یا هابیلیتاسیون خود را دریافت کرد. او سپس استاد شیمی فیزیکی در دانشگاه فنی هانوفر شد. در سال ۱۹۷۳ به دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ رفت و در آن‌جا به‌عنوان جانشین گئورگ میشائل شْواب، از چهره‌های مهم کاتالیز، فعالیت کرد.

در سال ۱۹۸۶، ارتل به مؤسسهٔ فریتس هابرِ انجمن ماکس پلانک در برلین پیوست و مدیریت بخش شیمی فیزیکی را بر عهده گرفت. این مؤسسه به نام شیمی‌دان آلمانی فریتس هابر نام‌گذاری شده است. ارتل در برلین پژوهش‌های خود را به موضوع‌هایی مانند دینامیک غیرخطی، الگوهای زمانی و مکانی روی سطوح، میکروسکوپ تونلی روبشی، فرایندهای سریع سطحی با لیزر و الکتروشیمی در مقیاس اتمی گسترش داد.

او در اکتبر ۲۰۰۴ رسماً بازنشسته شد، اما همچنان به نوشتن، سخنرانی و فعالیت علمی ادامه داد. ارتل در کنار پژوهش تجربی، در آموزش نسل‌های تازهٔ دانشمندان شیمی سطح نیز نقش داشت و گروه پژوهشی او به یکی از مراکز اثرگذار این حوزه تبدیل شد.

جایزهٔ نوبل شیمی ۲۰۰۷

آکادمی سلطنتی علوم سوئد در ۱۰ اکتبر ۲۰۰۷، هم‌زمان با هفتادویکمین سالروز تولد ارتل، اعلام کرد که جایزهٔ نوبل شیمی آن سال به‌طور کامل به او تعلق می‌گیرد. انگیزهٔ جایزه، مطالعات او دربارهٔ فرایندهای شیمیایی روی سطوح جامد بود.

ارتل سخنرانی نوبل خود را در ۸ دسامبر ۲۰۰۷ در دانشگاه استکهلم با عنوان «واکنش‌ها روی سطوح: از اتم‌ها تا پیچیدگی» ارائه کرد. او در این سخنرانی مسیر پژوهش‌های شیمی سطح را از رفتار اتم‌ها و مولکول‌های منفرد تا شکل‌گیری الگوهای پیچیده در سامانه‌های واکنشی شرح داد.

جایزهٔ نوبل، شیمی سطح را از حوزه‌ای تخصصی به یکی از شاخه‌های مرکزی شیمی فیزیکی و کاتالیز تبدیل کرد. روش‌هایی که ارتل توسعه داد، همچنان در پژوهش‌های دانشگاهی و طراحی فرایندهای صنعتی به کار می‌روند.

حمایت از مقاومت ایران

شورای ملی مقاومت ایران در مارس ۲۰۲۳ گزارش کرد که گروهی از برندگان جایزهٔ نوبل در نامه‌ای مشترک، حمایت خود را از خیزش مردم ایران و خواست آنان برای آزادی و دموکراسی اعلام کرده‌اند. نام گرهارد ارتل، با عنوان برندهٔ نوبل شیمی ۲۰۰۷، در فهرست امضاکنندگان منتشرشده در آن گزارش آمده است. گزارش شورا همچنین از حمایت امضاکنندگان از طرح ده‌ماده‌ای مریم رجوی و درخواست اقدام‌های بین‌المللی علیه سرکوب در ایران سخن می‌گوید.

همچنین، نام ارتل در گزارش دیگری از شورای ملی مقاومت دربارهٔ بیانیهٔ ۵۶ برندهٔ نوبل در حمایت از «گردهمایی جهانی ایران آزاد ۲۰۲۱» درج شده است. در آن گزارش، امضاکنندگان از نقشهٔ راه شورای ملی مقاومت برای ایرانی آزاد، دموکراتیک و غیراتمی حمایت کرده‌اند.