הדרמה האטומית של המשטחים: כיצד גרהרד ארטל פיצח את הפיזיקה שמאחורי הזרזים הכימיים
בעולם המדע, חלק מהמהפכות הגדולות ביותר מתרחשות דווקא במקומות שאינם גלויים לעין. במשך עשרות שנים, הכימיה התעשייתית נהנתה מהישגים כבירים כמו ייצור דשנים מלאכותיים וסינון גזים רעילים, אך המנגנון הפנימי שביצע את הפעולה נותר במידה רבה קופסה שחורה. כימאים ידעו שמשטחי מתכת כמו ברזל או פלטינה מאיצים תגובות כימיות בקצב מהיר, אך אף אחד לא הצליח להסביר מה בדיוק קורה ברמת האטום הבודד ברגע המפגש. הכימאי הגרמני גרהרד ארטל, שנולד בשטוטגרט ב-1936, סירב להשלים עם המסתורין הזה והקדיש ארבעה עשורים לפיתוח שיטה שתציג את התהליך בבהירות מוחלטת.
המודל המתודי: תאי ריק עמוק וגבישים יחידים
ארטל הבין שמה שמנע עד אז את פענוח התהליך היה הזיהום הסביבתי הסובב אותנו. באוויר הפתוח, משטח מתכת נקי מתכסה תוך שבריר שנייה בשכבות של חמצן, מים ומזהמים שונים. כדי לבודד את התגובות ולבחון אותן בטהרתן, ארטל פיתח טכניקות של ריק עמוק במיוחד (Ultra-High Vacuum), שבהן הלחץ במערכת נמוך פי טריליון מהלחץ האטמוספרי. בתוך תאי הריק הללו הוא הציב גבישים יחידים (Single Crystals) של מתכות, שנחתכו ולוטשו בדיוק אטומי. באמצעות דיפרקציית אלקטרונים באנרגיה נמוכה (LEED) וספקטרוסקופיית אלקטרונים, הצליח לעקוב שלב אחר שלב אחר התנהגותן של מולקולות גז כשהן נוחתות על המשטח.
מפירוק אטום החנקן ועד הממיר הקטליטי ברכב
הפריצה הגדולה הראשונה של ארטל הייתה פיצוח מנגנון הבר-בוש — התהליך התעשייתי שבאמצעותו מפיקים אמוניה ליצירת דשנים חקלאיים. ארטל הוכיח כי השלב המכריע המאט את התגובה הוא פירוק הקשר המשולש והחזק שבין שני אטומי חנקן. הוא הראה במדויק כיצד משטח ברזל במבנה גבישי Fe(111) מחליש את הקשר הזה ומאפשר לאטומי החנקן להיפרד ולהתחבר להידרוגן. בהמשך, חקר ארטל את חמצון הפחמן החד-חמצני (CO) על משטחי פלטינה — תגובה המהווה את הלב הפעיל של ממירים קטליטיים ברכבים, המונעים זיהום אוויר קטלני בערים. ארטל גילה שבתנאים מסוימים, הריכוז של המולקולות על המשטח נע בתנודות מחזוריות, תופעה שהפכה לאחד הדגמים הקלאסיים של דינמיקה לא-ליניארית בכימיה Nobel Prize Website.
מורשת מדעית בברלין: מהמעבדה אל טכנולוגיות האנרגיה הירוקה
ב-10 באוקטובר 2007, בדיוק ביום הולדתו ה-71, קיבל ארטל את שיחת הטלפון משטוקהולם שבישרה לו על זכייתו בפרס נובל בכימיה. אולם השפעתו של המחקר שלו אינה מוגבלת להיסטוריה המדעית. כיום, במכון פריץ האבר של אגודת מאקס פלאנק, השוכן ברחוב Faradayweg 4-6 בברלין-דאהלם, ממשיכים חוקרים בהובלת מנהלי מחלקות כמו פרופ' ביאטריס רולדן קווניה ופרופ' מרטין וולף ליישם את שיטותיו. תורת הכימיה של המשטחים שפיתח מהווה כיום את המסד המדעי לפיתוח אלקטרוליזרים לייצור מימן ירוק, תאי דלק מתקדמים, זרזים ללכידת פחמן דו-חמצני והבנת תהליכי פירוק האוזון על גבי גבישי קרח באטמוספירה.
