Kémiai Nobel-díj 2007

Gerhard Ertl német kutató kapta az idei kémiai Nobel-díjat - jelentette be szerdán, hazai idő szerint 11:45-kor Stockholmban a Karolinska Intézet illetékes bizottsága. A díjat az úgynevezett felületkémia korszakos jelentőségű tanulmányozásáért ítélték oda.

A hivatalos rövid indoklás szerint a kutató a szilárd felszíneken végbemenő kémiai reakciók vizsgálatért részesült a legrangosabb tudományos elismerésben, éppen 71. születésnapján.

Modern felületkémia - üzemanyagcella, műtrágya, tiszta kipufogógáz

Szakszerűbben fogalmazva: a 2007-es esztendő kémiai Nobel-díját az úgynevezett felületkémia korszakos jelentőségű tanulmányozásáért ítélték oda. A felületkémia nagyon fontos az ipar, illetve a vegyipar számára: e tudományág segítségével sikerült megérteni például, hogyan rozsdásodik a vas, miként működnek az üzemanyagcellák vagy az autókatalizátorok. A katalizátorok felületén lezajló kémiai reakciók alapvető szerepet játszanak számos ipari folyamatban, így a műtrágyák előállításában is. A felületkémia segítségével akár az ózonréteg bomlását is meg tudjuk magyarázni, mivel a legfontosabb lépések voltaképpen apró jégkristályok felületén játszódnak le a felsőlégkörben (a sztratoszférában). A félvezetőipar szintén felületkémiai tudásunkra épül.

A modern felületkémia tudománya 1960-tól bontakozott ki, a félvezetőiparban kidolgozott különböző vákuum-technológiáknak köszönhetően. Gerhard Ertl volt az egyike azon kutatóknak, akik elsőként ismerték fel az új technológiák fontosságát. A Nobel-bizottság pedig azért ítélte épp neki a díjat, mert lépésről lépésre kidolgozta egy egész tudományterület, a felületkémia módszertanát, amelynek segítségével a különféle vizsgálati fázisokból a felületi reakciók teljes feltérképezése lehetséges. Ertl eredményeinek megbízhatósága a nagyon aprólékos, precíz, hosszú éveken át tartó munka és a kiemelkedő problémamegoldó képesség gyümölcse.

A különböző szilárd felületek általában nagyon aktívak kémiailag, ezért nagyon nehéz tisztán tartani őket ahhoz, hogy egy-egy folyamatot megvizsgálhassunk: így azért, hogy teljes képet kapjunk egy folyamatról, nagyfokú precizitásra és számos különböző kísérleti eszközre van szükség. E tudományág műveléséhez elengedhetetlen az úgynevezett nagyvákuum-előállító készülék, hiszen a levegőben minden szilárd felületet körbevesznek az ott található gázok. A szennyeződések pedig veszélyeztethetik a mérések sikerességét, vagyis nem végezhetnénk pontos vizsgálatokat egy ilyen eszköz hiányában. Ertl - amellett, hogy egyes folyamatok vizsgálatában is nagy eredményeket ért el - mindig arra törekedett, hogy az általa vizsgált folyamatok leírásához mindig a legmegfelelőbb technológiát alkalmazza, ezért az így (évek alatt) kidolgozott módszertanát más kutatók is át tudták venni saját kutatásaikhoz.

Gerhard Ertl tanulmányozta a hidrogén szilárd felületen történő viselkedését. A hidrogén termelődhet napkollektorok elektródáján, vagy használható üzemanyagcellákban energiatermelésre - csak hogy néhány olyan alkalmazást említsünk, ahol a hidrogén szilárd felületen való viselkedésének ismerete elengedhetetlen.

Az Ertl által kifejlesztett módszertan nem utolsó sorban a Haber-Bosch-folyamatokon végzett tanulmányokon alapul. A huszadik század elején Fritz Haber felfedezte, hogy az ammónia előállítható vas katalizátor jelenlétében hidrogén- és nitrogéngázból, melyet (ipari méretekben) azóta a műtrágyagyártáshoz használnak. A módszer hatalmas gazdasági jelentőséggel bír, hiszen a fejlődő növények számára a nitrogén-hozzáférés (a termőföld minőségétől függően) gyakran korlátozott. Az eljárás feltalálásáért Fritz Haber 1918-ban kémiai Nobel-díjat kapott, Ertl pedig az eljárás legapróbb részleteit is tanulmányozta.

A Haber-Bosch-eljárásban a levegő nitrogénje hidrogénnel reagál, melynek eredményeként ammónia képződik. Ez az első és egyben legnehezebb lépése a műtrágyagyártásnak. Ebben a szakaszban elengedhetetlen egy, a reakciót segítő katalizátor használata, amelyet a folyamat végén eredeti formájában kapunk majd vissza. A reakció vas-granulátum felszínén zajlik le: ezen a darált felszínen ugyanis a nitrogén és a hidrogén könnyebben lép reakcióba egymással. Ertl legnagyobb felfedezése a reakció leglassabb lépésének meghatározása volt. Hiszen ahhoz, hogy egy reakciót gyorsítani tudjunk, a leglassabb lépést kell elsőként felgyorsítanunk (csakúgy, mint egy közlekedési dugó esetében, amikor egyetlen nagyon lassan haladó autó megbéníthat egy teljes útszakaszt).

Az eljárás pontos tanulmányozása érdekében Ertl egy teljesen tiszta és sima vasfelületet vizsgált vákuumkamrában, ahova a két gáz meghatározott mennyiségét juttatta be. Amikor a nitrogén megérkezik a vasfelszínre, kétatomos molekulaként kapcsolódik ahhoz. Majd a két nitrogénatom elválik egymástól, fölszakad a köztük lévő nagyon erős kötés - ám ez időbe telik. Gerhard Ertl első kérdése az volt, hogy a nitrogén molekula vagy atom formájában reagál-e a hidrogénnel. (Korábbi kutatásaiból azt már tudta Ertl, hogy a hidrogén azonnal szétesik atomjaira, mikor a vasfelülettel ütközik.) Azt mérte hát, hogy hogyan változik a nitrogén koncentrációja, miközben egyenletesen hidrogéngázt juttatott a rendszerbe. Az eljárás során megfigyelte, hogy minél több hidrogént juttatott a vas felszínére, annál kevesebb nitrogénatomot talált a rendszerben. Vagyis a nitrogénatomok "eltűntek" a felszínről, mivel reagáltak a hidrogénnel. Ez azt mutatja, hogy a Haber-Bosch-eljárásban az első lépés a nitrogén- és hidrogénatomok reakciója, hiszen ha a nitrogénmolekulák reagálnának a hidrogénnel, akkor a nitrogénatomok koncentrációja változatlan maradna a rendszerben.

A nitrogénkoncentráció meghatározása egyáltalán nem könnyű: a molekulák és atomok megkülönböztetésére Ertl különböző spektroszkópiai módszereket használt, illetve a felület alakját vizsgálta, amely azonnal megváltozik, amikor egy részecskével ütközik, és az hozzákötődik. Ezek mind nagyon aprólékos vizsgálatok, ráadásul a vizsgálatot végzőnek biztosnak kell lennie abban, hogy semmilyen szennyeződés nem befolyásolja az eredményt. Gerhard Ertl végül kimutatta, hogy a Haber-Bosch-eljárás leglassúbb lépése a nitrogénmolekula atomokra bomlása (hiszen a két atomot a legerősebb, háromszoros kötés tartja össze). Mihelyst a nitrogénatomok rendelkezésre állnak, nagyon gyorsan ammóniává egyesülnek a hidrogénnel. Ahhoz, hogy a folyamatot gyorsítani lehessen, ezt a lépést kellett felgyorsítani. Azt már korábban is tudni vélték, hogy kálium hozzáadásával meg lehet gyorsítani az eljárást, és Ertl a reakció lépésről lépésre történő vizsgálatával mutatta meg, hogy miért.

Ertl később tanulmányozta a szén-monoxid platinán végbemenő oxidációját - ez a reakció játszódik le az autók katalizátorában is, miközben a kipufogógázt tisztítják meg. Ertl ebben az esetben is részletesen vizsgálta a folyamatot, s mivel ez nem visszafordítható reakció, sokkal nehezebb dolga volt, mint a Haber-Bosch eljárás esetében. Leírta, hogy milyen bonyolult is egy ilyen egyszerűnek látszó reakció, amely során a szén-monoxid felvesz egy oxigénatomot.

Gerhard Ertl iskolateremtő tevékenysége megmutatta, miként lehet megbízható eredményeket elérni ezen a nehéz kutatási területen. Meglátásai adták a modern felületkémia tudományos alapját: módszereit egyaránt használják tudományos kutatásokban és ipari kémiai folyamatok fejlesztésében.

Bánsági Éva

* * *

Az eddigi 2007-es díjak

A Nobel-díjazottak nevének kihirdetése hagyományosan az orvosi-élettani Nobel-díj bejelentésével kezdődött hétfőn. Az orvosi díjat idén két amerikai és egy brit kutató, Mario Capecchi és Oliver Smithies, illetve Martin Evans kapta. A kutatók az egér genetikai állományának embrionális őssejteken végzett módosításával olyan állatmodelleket hoztak létre, amelyek segítségével számos emberi életfolyamat és betegség vált hatékonyabban tanulmányozhatóvá. Részletesen lásd hétfői összeállításunkat.

Kedden a fizikai Nobel-díj következett. A díjat a francia Albert Fert és a német Peter Grünberg kapta megosztva. A kutatók egy fizikai jelenség, az úgynevezett óriás mágneses ellenállás egymástól független felfedezéséért részesültek a legnagyobb tudományos elismerésben. A felfedezés legfontosabb gyakorlati alkalmazása a merevlemezek adatait olvasó fejek kifejlesztése. Részletesen lásd keddi összeállításunkat.

Csütörtökön az irodalmi Nobel-díj, pénteken pedig a Nobel-békedíj idei kitüntetettjeinek nevét jelentik be. A Svéd Központi Bank által 1968-ban alapított közgazdasági Nobel-díj idei tulajdonosát jövő hétfőn hirdetik ki.

A Nobel-díjakat idén is XVI. Károly Gusztáv svéd király adja át december 10-én - illetve ugyanezen a napon a Nobel-békedíjat a Nobel-díj Bizottság elnöke Oslóban - a kitüntetést alapító Alfred Nobel mérnök és üzletember 1896-ban bekövetkezett halálának évfordulóján. Az igazoló okmányon és az aranyérmén kívül a díjak mellé 10 millió svéd korona jár.

* * *

Egy alapvető sejtszintű folyamat képei - kémiai Nobel-díj 2006

A 2006-os kémiai Nobel-díjat Roger D. Kornberg amerikai kutatónak ítélte oda a Svéd Királyi Tudományos Akadémia "az eukarióták transzkripciójának tanulmányozásában elért eredményeiért".

A DNS-ben tárolt, a fehérjék felépítését meghatározó genetikai információ első lépésben egy RNS-molekulára tevődik át - ez a folyamat a transzkripció (átírás). A folyamat során a DNS meghatározott része fellazul, letekeredik, és hozzáférhetővé válik az információ lemásolását végző enzimek számára. Az adott génről átírt RNS egy konkrét fehérje képződéséért felelős.

Eukarióta, azaz sejtmaggal rendelkező élőlényekben (vagyis a baktériumok kivételével minden élőlény esetében) ez az RNS-molekula kijut a sejtmagból, és befűződik a megfelelő sejtszervecskékbe (a sejtplazmában lévő riboszómákba). Itt az RNS által szállított információ alapján a sejt molekuláris gépezete fehérjét gyárt (ez a transzláció).

Ezt az RNS-típust - mivel információt szállít - hírvivő RNS-nek (angolul messenger RNS-nek) nevezzük, ezért az mRNS jelzést kapta. A folyamatot - vagyis ahogyan a DNS-től az RNS-en keresztül eljut a genetikai információ a fehérje képződéséig - nevezzük a molekuláris biológia centrális dogmájának - fő alaptételének. Ez egyes vírusok kivételével minden élő szervezetre érvényes.

Az 1947-ben született Roger D. Kornberg (Stanford Egyetem) volt az első, akinek eukarióta szervezetekben elsőként sikerült vizualizálni a transzkripció mechanizmusát. A krisztallográfiás vizsgálatok alapján készült képeken jól láthatók a fokozatosan növekvő hírvivő RNS-ek, illetve a folyamathoz szükséges egyéb molekulák is. A képek nagy segítséget jelentenek a transzkripció mechanizmusának és szabályozásának még pontosabb megértésében.

A transzkripció folyamatának pilanatképe Kornberg vizsgálatai alapján. A másolást végző RNS-polimeráz enzim (fehér gomolyag) előtt kékkel a duplaszálú DNS, pirossal pedig a növekvő mRNS látható

A transzkripció működésének minél mélyebb megértése alapvetően fontos a molekuláris genetikai alapkutatások és az orvostudomány számára is. Számos betegség, például a rák, szívbetegségek, különféle gyulladások esetében a folyamat rendellenesen működik.

1959-ben egyébként Roger D. Kornberg apja, Arthur Kornberg kapott orvosi-élettani Nobel-díjat annak magyarázatáért, hogyan kerül át a genetikai információ a sejtosztódás során az utódsejtekbe.