Хто і за що в 2007 році отримує Нобелівські премії з фізики та хімії?

Нагородження нобелівських лауреатів проводиться щорічно в Стокгольмі 10 грудня - в день смерті Альфреда Нобеля. Саме в цей день було оголошено його заповіт про заснування премії.

Нобелівська премія з хімії за 2007 рік присуджена вченому з Німеччини Ґергард Ертль (Gerhard Ertl) за видатні досягнення в дослідженні «хімічних процесів на твердих поверхнях».

Що ж особливого відбувається на поверхні твердих тіл?

Як фахівець у галузі фізики твердого тіла, я вже писав тут і тут, що на поверхні кристалічної решітки відбуваються цікаві фізичні процеси.

Реальна поверхня твердих тіл є і каталізатором багатьох хімічних процесів.

Ертля можна назвати батьком каталізу - прискорення хімічних реакцій. Про застосування каталізу для очищення повітря - розкладанні на поверхні каталізатора шкідливих речовин я теж писав тут. Всім відомо також про застосування каталізатора у вихлопних трубах автомобілів. Багато технологічних процесів в хімії йдуть із застосуванням каталізаторів. І скрізь працює поверхню твердих тіл, причому сам каталізатор не витрачається. Атоми кристалів як би допомагають окремим хімічним компонентам з'єднатися в потрібні молекули, діючи як оператори в нанотехнологіях.

Хімія поверхні вимагає просунутого високовакуумного експериментального обладнання, так як її головна мета - спостереження за поведінкою індивідуальних атомів або молекул, наприклад, на високочистих поверхнях металу. Найменше забруднення при виконанні такого роду спостережних і вимірювальних експериментів наражає на небезпеку їх результат. Отримання повноцінної картини реакції, що протікає на поверхні, вимагає високоточних вимірювань і комбінації різнобічних експериментальних методик.

Герхард Ертль заснував експериментальну школу, продемонструвавши, як достовірні результати можуть бути отримані в такій складній галузі, як хімія поверхні. Його розробки заклали наукову основу сучасної хімії поверхні, його методологія використовується як у фундаментальних дослідженнях, так і в розробці хімічних виробництв.

Інша робота Ертля, що стала ще одним проривом в науці, - відкриття за допомогою фотоелектронної мікроскопії раніше невідомого явища. Вчений вперше в світі спостерігав «портрет» хімічної реакції - так званих хімічних хвиль на поверхні каталізаторів. Це дозволило зрозуміти, ще глибше розібратися в суті реакції.

Цікаво, що в день оголошення про присудження Ґергард Ертль Нобелівської премії - 11 жовтня - йому виповнився 71 рік. Він заявив, що це - найкращий подарунок на день народження за все його життя.

Нобелівську премію з фізики в 2007 році отримують француз Альбер Фер (Albert Fert) і німець Петер Грюнберг (Peter Grunberg), які в 1988 році незалежно один від одного відкрили ефект гігантського магнітоопору. А що це таке? Це ще одне застосування нанотехнологій, про які я вже писав.

Що таке електричний опір - вивчають у школі. Про закон Ома чули всі. Електричний струм - це впорядкований рух електронів по провіднику від негативного полюса до позитивного. Залежно від особливості складу і структури цього провідника цей рух може відчувати труднощі - кожен провідник має своїм електроопору. 150 років тому, в 1857 році, було відкрито, що на опір провідників впливає і магнітне поле. Справа в тому, що кожен електрон має власне магнітне поле, обумовлене обертанням його навколо власної осі. Ця властивість електрона названо спіном - від англійського слова, що позначає обертання. Оскільки електрони і їх магнітні поля (спини) в провіднику розташовані хаотично, то зовнішнє магнітне поле майже не впливає на їх рух. Це у звичайних проводах.

Інша справа - в металевих плівках товщиною в кілька нанометрів. Фер і Грюнберг виявили, що спини електронів в них під дією зовнішнього навіть невеликого магнітного поля можна зорієнтувати в одну сторону. При цьому тонка плівка буде мати мінімальну електричний опір. Але якщо частина спинив розгорнути в інший бік, опір плівки різко зростає.

Досягнення сучасних нанотехнологій дозволили створити речовина, що складається з декількох шарів наноплівок з різними електричними і магнітними властивостями. Наприклад, головний провідний шар зі сплаву заліза і нікелю. По ньому течуть електрони. Впритул до нього - тонкий немагнітний шар. Наступний - шар з матеріалу, що має постійну намагніченість. Третя магнітна плівка змушує все спини електронів в першій зорієнтуватися в напрямку свого магнітного поля. Її електроопір буде мінімальним. Але якщо ми з боку провідної плівки піднесемо інший магнітик, то біля нього спини перекинуться, і опір провідної плівки різко зросте. Виникає електричний сигнал.

Згадайте магнітофони. Вони мали магнітні головки з магнітного матеріалу з намотаними на нього проводами. На проводи подавався сигнал, і магнітне поле сердечника змінювалося відповідно до цього сигналом. Повз головки прокручувалась магнітна плівка, на яку записувалося змінне магнітне поле. Якщо потім прокрутити плівку із записом повз головки знову, то в обмотці головки виникав струм, який потім посилювався. І ми могли чути звук або бачити зображення. Від розміру головки залежала щільність запису. Пам'ятаєте, як зі зменшенням розмірів головок швидкість руху стрічки магнітофонів з 50-х до 70-х років зменшилася з 19 до 9, а потім і до 4 см / сек. Та ж тенденція спостерігалася пізніше і в відеомагнітофонах.

І в перших комп'ютерах в пам'яті використовувалися такі ж магнітні головки для запису на магнітну стрічку, а пізніше - на магнітний диск. Відкриття нинішніх нобелівських лауреатів у поєднанні з сучасними нанотехнологіями дозволило різко зменшити розмір головок і суттєво збільшити щільність запису. Пам'ятаю, що в моєму першому комп'ютері на початку 90-х років обсяг жорсткого диска був 300 мегабайт, наступного в 1998 році - 8.3 гігабайти. У теперішнього - 300 гігабайт. І це - не межа.

Нанотехнології вдосконалюються, і розміри плівок головок можна довести до товщини в декілька атомів. А щільність запису і обсяги пам'яті зростуть ще в тисячі разів!

Альфред Нобель і заповів присуджувати премії за відкриття, що мають велике практичне значення. А поштовх розвитку нанотехнологій дало свого часу відкриття Рудольфа Мессбауера, про який я теж писав. Така ось спадкоємність нобелівських лауреатів!