Кто и за что в 2007 году получает Нобелевские премии по физике и химии?

Награждение нобелевских лауреатов проводится ежегодно в Стокгольме 10 декабря — в день смерти Альфреда Нобеля. Именно в этот день было оглашено его завещание об учреждении премии.

Нобелевская премия по химии за 2007 год присуждена ученому из Германии Герхарду Эртлю (Gerhard Ertl) за выдающиеся достижения в исследовании «химических процессов на твердых поверхностях».

Что же особенного происходит на поверхности твёрдых тел? Как специалист в области физики твёрдого тела, я уже писал здесь и здесь, что на поверхности кристаллической решётки происходят интересные физические процессы. Реальная поверхность твёрдых тел является и катализатором многих химических процессов.

Эртля можно назвать отцом катализа — ускорения химических реакций. О применении катализа для очистки воздуха — разложении на поверхности катализатора вредных веществ я тоже писал здесь. Всем известно также о применении катализатора в выхлопных трубах автомобилей. Многие технологические процессы в химии идут с применением катализаторов. И везде работает поверхность твердых тел, причем сам катализатор не расходуется. Атомы кристаллов как бы помогают отдельным химическим компонентам соединиться в нужные молекулы, действуя как операторы в нанотехнологиях.

Химия поверхности требует продвинутого высоковакуумного экспериментального оборудования, так как ее главная цель — наблюдение за поведением индивидуальных атомов или молекул, например, на высокочистых поверхностях металла. Малейшее загрязнение при выполнении такого рода наблюдательных и измерительных экспериментов подвергает опасности их результат. Получение полноценной картины реакции, протекающей на поверхности, требует высокоточных измерений и комбинации разносторонних экспериментальных методик.

Герхард Эртль основал экспериментальную школу, продемонстрировав, как достоверные результаты могут быть получены в такой сложной области, как химия поверхности. Его разработки заложили научную основу современной химии поверхности, его методология используется как в фундаментальных исследованиях, так и в разработке химических производств.

Другая работа Эртля, ставшая еще одним прорывом в науке, — открытие с помощью фотоэлектронной микроскопии ранее неизвестного явления. Ученый впервые в мире наблюдал «портрет» химической реакции — так называемых химических волн на поверхности катализаторов. Это позволило понять, еще глубже разобраться в сути реакции.

Любопытно, что в день объявления о присуждении Герхарду Эртлю Нобелевской премии — 11 октября — ему исполнился 71 год. Он заявил, что это — самый лучший подарок на день рождения за всю его жизнь.

Нобелевскую премию по физике в 2007 году получают француз Альбер Фер (Albert Fert) и немец Петер Грюнберг (Peter Grunberg), которые в 1988 году независимо друг от друга открыли эффект гигантского магнитосопротивления. А что это такое? Это ещё одно применение нанотехнологий, о которых я уже писал.

Что такое электрическое сопротивление — изучают в школе. Про закон Ома слышали все. Электрический ток — это упорядоченное движение электронов по проводнику от отрицательного полюса к положительному. В зависимости от особенности состава и структуры этого проводника это движение может испытывать затруднения — каждый проводник обладает своим электросопротивлением. 150 лет назад, в 1857 году, было открыто, что на сопротивление проводников оказывает влияние и магнитное поле. Дело в том, что каждый электрон имеет собственное магнитное поле, обусловленное вращением его вокруг собственной оси. Это свойство электрона названо спином — от английского слова, обозначающего вращение. Поскольку электроны и их магнитные поля (спины) в проводнике расположены хаотически, то внешнее магнитное поле почти не влияет на их движение. Это в обычных проводах.

Другое дело — в металлических плёнках толщиной в несколько нанометров. Фер и Грюнберг обнаружили, что спины электронов в них под действием внешнего даже небольшого магнитного поля можно сориентировать в одну сторону. При этом тонкая плёнка будет иметь минимальное электрическое сопротивление. Но если часть спинов развернуть в другую сторону, сопротивление плёнки резко возрастает.

Достижения современных нанотехнологий позволили создать вещество, состоящее из нескольких слоёв наноплёнок с разными электрическими и магнитными свойствами. Например, главный проводящий слой из сплава железа и никеля. По нему текут электроны. Вплотную к нему — тонкий немагнитный слой. Следующий — слой из материала, имеющего постоянную намагниченность. Третья магнитная плёнка заставляет все спины электронов в первой сориентироваться в направлении своего магнитного поля. Её электросопротивление будет минимальным. Но если мы со стороны проводящей плёнки поднесём другой магнитик, то около него спины перевернутся, и сопротивление проводящей плёнки резко возрастёт. Возникает электрический сигнал.

Вспомните магнитофоны. Они имели магнитные головки из магнитного материала с намотанными на него проводами. На провода подавался сигнал, и магнитное поле сердечника менялось в соответствии с этим сигналом. Мимо головки прокручивалась магнитная плёнка, на которую записывалось переменное магнитное поле. Если потом прокрутить плёнку с записью мимо головки снова, то в обмотке головки возникал ток, который затем усиливался. И мы могли слышать звук или видеть изображение. От размера головки зависела плотность записи. Помните, как с уменьшением размеров головок скорость движения ленты магнитофонов с 50-х до 70-х годов уменьшилась с 19 до 9, а затем и до 4 см/сек. Та же тенденция наблюдалась позднее и в видеомагнитофонах.

И в первых компьютерах в памяти использовались такие же магнитные головки для записи на магнитную ленту, а позднее — на магнитный диск. Открытие нынешних нобелевских лауреатов в сочетании с современными нанотехнологиями позволило резко уменьшить размер головок и существенно увеличить плотность записи. Помню, что в моём первом компьютере в начале 90-х годов объём жёсткого диска был 300 мегабайт, следующего в 1998 году — 8. 3 гигабайта. У теперешнего — 300 гигабайт. И это — не предел.

Нанотехнологии совершенствуются, и размеры плёнок головок можно довести до толщины в несколько атомов. А плотность записи и объёмы памяти возрастут ещё в тысячи раз!

Альфред Нобель и завещал присуждать премии за открытия, имеющие большое практическое значение. А толчок развитию нанотехнологий дало в своё время открытие Рудольфа Мёссбауэра, о котором я тоже писал. Такая вот преемственность нобелевских лауреатов!