НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1986 г. / ХИМИЯ / ДЖОН ПОЛАНИ

Джон Полани (John Polanyi)

23 януари 1929 г.

Нобелова награда за химия (заедно с Дъдли Хършбак и Ли Юан Цъ)

(За приноса, свързан с динамиката на елементарните химични процеси“)

Канадският химик Джон Чарлз Полани (унг. Янош Кароли Полани - бел. П. Н.) е роден в Берлин в семейството на Майкъл Полани (унг. Михали Полани – бел. П. Н.) и Магда Елизабет (Кемени) Полани, които са от унгарски произход. Когато момчето е на четири години, семейството се премества от Германия в Англия, в Манчестър, където баща му става професор по химия в Манчестърския университет.

Като получава основно и средно образование в манчестърско училище, Полани постъпва през 1946 г. в Манчестърския университет и успява да слуша лекции по химия на баща си, който скоро напуска факултета по химия и става в същия университет професор по философия.

Колегите на бащата на Полани в химичния факултет са до голяма степен привърженици на изучаването на простите химични реакции, базирани на молекулярна основа. Един от бившите студенти на Полани старши, Ърнст Уорарст, става научен ръководител на Полани. Темата на докторската дисертация на Уорарст е свързана с опити, проведени с помощта на прибор с натриев пламък. Тези опити позволяват на бащата на Полани и на неговите колеги да определят вероятността дали сблъсъкът на натриев атом с определена молекула ще доведе до реакция. Полани, под ръководството на Уорарст, измерва енергията на химичните връзки с помощта на пиролиза (разлагане при висока температура). През 1952 г. ученият получава докторска степен по химия.

През годините, прекарани в Манчестърския университет, се определя посоката на последващата работа на Полани върху молекулярната основа на химичните реакции. В Манчестърския университет основно внимание се обръща на нерешения проблем с абсолютните скорости на реакциите, иначе казано – на въпроса дали молекулярен сблъсък с определена сила ще доведе до образуването на нови химични вещества. Полани пренасочва тази задача към въпроса какви видове сили най-често водят до реакции. Той решава, че отговорът на този въпрос се намира най-лесно чрез изучаване на движението на новообразуваните продукти от реакцията, защото силите, действащи в "преходното състояние" (от момента, в който реагентите влязат в контакт преди появата на продукти от реакцията) не може да не оставят отпечатък върху продуктите на реакцията.

След защита на докторската си дисертация Полани работи през 1952-1954г. заедно с Е. У. Р. Стейси в лабораториите на Държавния научно-изследователски съвет на Канада в Отава, Той все повече и повече се убеждава, че е поставил правилно въпроса и че трябва да започне да търси неговия отговор. Не може да се каже, че през студентските си години в Англия ученият се чувства призван към избраната от него професия. Основните му интереси са по-скоро в политиката, журналистиката и поезията. Интересът към науката е някъде на заден план. Слънчевият климат на Отава обаче събужда у учения жажда за творчество: Полани започва да се занимава ентусиазирано с лабораторна работа. Заедно със Стейси той решава да провери дали господстващата тогава теория за преходното състояние на скоростта на реакциите има "пророческа сила" и след някои изчисления стига до заключението, че тази теория е недоказана, защото не казва нищо за силите, действащи по време на преходното състояние. Няколко месеца от двете си години в Държавния научно-изследователски съвет той работи в лабораторията на Герхард Херцберг, където конструира спектроскопична инсталация за проверка на вибрационното и ротационното възбуждане на йодните молекули. „Сигурно съм бил воден от някаква невидима ръка“ - спомня си Полани по-късно за този период. И наистина, по-нататък ученият измерва в продуктите от реакцията точно тези видове преход, които изучава в лабораторията на Херцберг.

След това Полани по покана на американския химик Хю Стот Тейлър работи две години в Принстънския университет в САЩ със стипендия, отпусната му за научни изследвания като доктор на науките. Там той се срещна с двама от колегите на Тейлър, Майкъл Боударт и Дейвид Гарвин, които изследват вибрационно възбуждане в продуктите от реакцията на атомарния водород с озона. При тази реакция се наблюдава оранжево сияние, когато продуктът от реакцията премине спонтанно от състояние на силно възбудени вибрации към много ниско състояние на възбуда. Въпреки че Полани не е участвал в тези експерименти, те оказват силно влияние върху него. Относително високата честота на излъчване (високите обертонове) на тези вибрационни преходи довежда Полани до идеята за възможността да бъдат открити много по-вероятни "фундаментални преходи", причинени от по-малки промени във вибрационното състояние, при които трябва да се наблюдава инфрачервено излъчване с по-ниска честота. Връщайки се през 1956 г. в Канада, за да чете лекции по химия в университета в Торонто, Полани не забравя тази идея, която го осенява в Принстън.

Заедно със студентите от първата си година ученият наблюдава увеличаването на скоростта на образуване на хлороводород по време на вибрационно възбуждане на екзотермична реакция (при която се отделя топлина) на атомарен водород и молекулярен хлор. Опитът с хлороводорода, съобщение за който се появява за първи път през 1958 г., помага на Полани и неговата група да изберат посоката на основната си работа.

Този експеримент е прост и евтин. Атомарният водород, образуван при електрически разряд (с използване на неонов трансформатор за осигуряване на високо напрежение), се смесва при ниско налягане с поток от газообразен хлор в съд, снабден с "прозорчета" от натриев хлорид, прозрачни в инфрачервената област. Пред всяко „прозорче“ е поставен инфрачервен спектрометър. Съдът, в който протича реакцията, остава студен на допир, но излъчва инфрачервен спектър, което показва наличието на водород при температура от няколко хиляди градуса. Това молекулярно възбуждане е химическо по природа и представлява инфрачервена хемилуминесценция.

През 1958 г. Полани и неговият студент Дж. К. Кешион завършват свое съобщение с твърдението, че „благодарение на този метод може да се получи информация относно разпределението на вибрационната и вероятно ротационната енергия сред продуктите на трицентровата реакция. И този вид информация е само първата от възможностите, които методът отваря пред химиците“.

Но даденото от тях обещание е изпълнено едва 10 години по-късно. Извършена е много работа, в която участват студенти на Полани от много учебни години. Един от проблемите, които възпрепятстват изследването, е вибрационното и ротационното "затихване". Този проблем е решен чрез използване на разпрашване на газообразни реагенти, които се пресичаха в центъра на вакуумна камера, изпускайки инфрачервено излъчване, придружаващо образуването на продукти от реакцията. След това продуктите на кондензацията по стените на камерата, охладени с течен азот, се отстраняват, преди да имат време да релаксират (да дойдат в основно състояние). Тази прекъсната релаксация довежда до първите количествени определяния на "подробните константи на скоростите", иначе казано – на скоростите, с които в хода на реакцията се образуват продукти със специфични вибрационни и ротационни състояния и, следователно, транслационни, пренасяни от възбуждането.

Измерванията, свързани с транслационното възбуждане, поставят основата за разработването на два метода наведнъж - метода на инфрачервената хемилуминесценция на Полани и метода за изследване на пресичащите се молекулярни снопове, които представляват основно алтернативно средство за извършване на такива измервания. Методът на пресичащите се молекулярни снопове, при който първоначално измерените величини представляват транслационни и ъглови разпределения, е открит от Дъдли Хършбак и Ли Юан Цъ през 1967 г.

Основните технологични изчисления, извършени от Полани, са описани в неговата статия "Инфрачервен мазер, зависим от вибрационно възбуждане" ("An Infrared Mazer Dependent on Vibrational Excitation"), написан през 1960 г. Но "Physical Review Letters", където Полани изпраща статията, отказа да я публикува като непредставляваща научен интерес. В тази статия Полани развива идеята, представена през 1958 г. от Чарлз Таунс и Артър Шолоу, която по-късно води до създаването на лазера. Таунс и Шолоу предвиждат електронно възбудена среда. Полани също предлага средата да бъде създадена от вибрационно и ротационно възбудени молекули. Предложението му има няколко привлекателни черти. Първо, благодарение на феномена, който Полани нарича частична инверсия на насищането, лазерно активна среда може да бъде създадена просто чрез частично охлаждане на горещ газ. Второ, активна среда може да бъде генерирана чрез химична реакция; такъв метод в момента е известен като лазер с химично изпомпване. Освен това Полани предполага, че подобни лазери трябва да съществуват в природата в горните слоеве на атмосферата.

"Physical Review Letters" не отпечатва и отчета на американския физик Теодор Х. Мейман за първия действащ лазер по същата причина, която е изтъкната, когато отказа да публикува статията Полани. Когато Полани разбра това, дава статията си през септември 1960 г. без никакви промени в „Journal of Chemical Physics“. И там тя е публикувана веднага. Оттогава осцилаторните (разработени от Ч. К. Н. Пейтел) и по-специално химичните лазери (разработени от Дж.Ч. Паймантел) се превръщат в най-мощния източник на инфрачервено излъчване. Разговаряйки със спонсори, финансиращи фундаментални изследвания, които настояват да се докаже възможността за практическо приложение на научните открития, Полани с радост им задава въпроса дали биха били толкова далновидни, че да субсидират изследването на едва забележимо светене, виждайки го като начин за разработване на най-мощните от съществуващите лазери.

Въпреки своята простота, инфрачервената хемилуминесценция предоставя най-пълната, подробна и достъпна информация за енергийното разпределение на продуктите от химичните реакции. Такава информация се използва за проверка на теориите за молекулярния механизъм на простите обменни реакции. Изследователската група, ръководен от Полани, използва компютърно моделиране от самото начало на своите експерименти. Високоскоростните компютри позволяват да се решат сложни уравнения, свързани с движението на реагиращите частици, а комбинацията от теория и практика отваря възможността да се погледне дълбоко в същността на процесите. Инфрачервената хемилуминесценция не се ограничава до измерване на степента на възбуждане на продуктите от реакцията. Тя може да се използва също за определяне как вибрационното и ротационно възбуждане на различни реагенти влияе върху вероятността за протичане на реакциите.

В последно време обхватът на научните интереси на Полани се разширява. Той се занимава със спектроскопия на реактивното преходно състояние, като се стреми да проникне в същността на „молекулярния танц“, наблюдавайки участващите в него молекули в момента, когато те, както Полани образно определя този процес, са „на сцената, а не зад кулисите, непосредствено преди началото на танца и след неговото завършване“. Групата на Полани изследва също така фотохимията на абсорбираното състояние, използвайки ултравиолетово лазерно лъчение, за да предизвика реакции между съседни молекули, прилепнали към твърда повърхност. Групата се надява да успее да подреди молекулите по всяка предварително зададена схема и да ги накара да реагират по определен начин.

В края на 50-те години. Полани стигна до извода, че учените трябва да участват в обществения живот, особено в ерата на ядрените оръжия, когато проблемът за оцеляването е остър. През 1960 г. той става основател и председател на канадска група от учени, част от Пъгуошкото движение, и остава неин председател до 1978 г. Полани е активен член на Комитета по въпросите на международната сигурност към Националната академия на науките на САЩ и на Канадския център за контрол на въоръжаването и разоръжаването.

Полани участва активно в работата на Кралското дружество, на Канадския комитет за свобода на научната дейност и на Канадския комитет на учените. Намира време да участва и в „Канадските дискусии по проблемите на политиката в областта на науката“. Полани вярва, че само фундаменталната наука може да допринесе за бъдещото развитие на човечеството, а на упрека за непрактичността на чисто теоретичните изследвания отговаря: „Няма нищо по-непрактично от науката, фокусирана само върху нуждите на днешния ден“.

През 1958 г. Полани се жени за Анна Ферар Дейвидсън от Торонто, музикантка и учителка по музика. Семейството има дъщеря и син. Полани смята себе си за "невежа в музиката", но получава естетическо удоволствие от изкуството, литературата и поезията. Той и съпругата му, изпълнявайки съответните роли, пишат текстове и музика за професионално изпълнени пародии. В младостта си ученият обича гребе с кану-каяк, любител пилот е от висок клас, а днес предпочита ските и туризма.

Освен Нобелова награда Полани получава много други награди, сред които медала Марлоу на Дружеството „Фарадей“ (1962 г.), наградата Стейси за естествени науки (1965 г.), медала Хенри Маршал Тоури на Кралското дружество на Канада (1977 г.) и наградата Уулф (1982 г.). Многократно е признат за водещ преподавател. Ученият е удостоен с почетни степени от 12 канадски университета и 2 водещи учебни заведения в САЩ – Харвардския университет и Политехническия институт „Ранселер“. През 1974 г. и през 1979 г. става кавалер на Ордена на Канада с различни степени. Член е на Кралските дружества на Канада и Лондон, чуждестранен член е на Американската академия на науките и изкуствата, на Американската национална академия на науките и на Папската академия на науките в Рим.

Превод от руски: Павел Б. Николов