НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1991 г. / ХИМИЯ / РИХАРД ЕРНСТ

Рихард Ернст (Richard Ernst)

14 август 1933 г. – 4 юни 2021 г.

Нобелова награда за химия

(За приноса му в развитието на методологията на спектроскопията с ядрено-магнитен резонанс с висока разделителна способност.)

Роден съм през 1933 г. във Винтертур, Швейцария, където нашите предци са живели поне от XV век. Обитавахме къща, построена през 1898 г. от дядо ми, търговец. Баща ми, Роберт Ернст, архитект, преподаваше в техническото училище в нашия град. Имах голям късмет да израсна, заедно с две сестри, в град, който съчетаваше по уникален начин артистични и трудови дейности. Безценни художествени колекции и малък, но първокласен симфоничен оркестър носеха славата на Винтертур далече отвъд границите на Швейцария. От друга страна, индустриалните предприятия, произвеждащи тежки машини като дизелови и железопътни двигатели, осигуряваха търговската основа на просперитета.

Скоро започнах да се интересувам и от двете неща. Свиренето на виолончело ме доведе до многобройни ансамбли за камерна и църковна музика и стимулира интереса ми към музикалната композиция, с каквато се занимавах много, докато учех в гимназията. На 13-годишна възраст намерих на тавана кутия, пълна с химикали, останки от моя чичо, който почина през 1923 г. и като инженер-металург се интересуваше от химия и фотография. Почти веднага бях очарован от възможностите да изпробвам всички възможни реакции с тях, някои водещи до експлозии, други до непоносимо отравяне на въздуха в къщата, плашещо моите родители. Въпреки това оцелях и започнах да чета всички книги по химия, до които можех да се добера, първо някои книги от XIX век в нашата домашна библиотека, които не предоставяха много надеждна информация, а след това прерових доста обширната градска библиотека. Скоро разбрах, че ще стана химик, а не композитор. Исках да разбера тайните на моите химични експерименти и на процесите в природата.

Така, след като завърших гимназията, започнах с големи очаквания и ентусиазъм да уча химия в известния Швейцарски федерален технологичен институт в Цюрих (ETH-Z). Бързо бях разочарован от състоянието на химията в началото на петдесетте години, която се преподаваше в ETH-Z; ние, студентите, трябваше да запомняме безброй факти, които дори професорите не разбираха. Изискваше се добра памет, а не безупречна логика. Лекциите по физикохимия също не бяха много проницателни, те се ограничаваха само до класическата термодинамика. Така трябваше да продължа, като в гимназията, да придобивам прилични химически познания чрез четене. Книгата, от която научих много по това време, беше „Теоретична химия“ от С. Гластон. Тя ми разкри основите на квантовата механика, спектроскопията, статистическата механика и статистическата термодинамика, теми, които дори не се споменаваха в лекциите, освен в един доброволен и много добър лекционен курс, четен от младия ентусиазиран професор Ханс Х. Гюнтхард, който беше учил паралелно химия и физика.

Бях на ясно, че след дипломирането ми като инженер-химик и дългата военна служба, ще започна докторска дисертация в лабораторията на професор Гюнтхард. За щастие той ме прие и ме свърза с един млад и блестящ учен, Ханс Примас, който никога не беше преминал през някакви официални проучвания, но въпреки това бързо беше придобил всичко необходимо за работата си, която тогава засягаше ядрено-магнитния резонанс с висока разделителна способност (ЯМР), област в начален стадий на развитието си по това време. Голяма част от неговото и моето време беше изразходвана за проектиране и изграждане на усъвършенствано електронно оборудване за подобрени ЯМР спектрометри. Успоредно с това разработихме теоретичната основа за експериментите, които предвиждахме, както и за оптималната работа на инструментариума. Изчисленията и оптимизациите на съотношението сигнал/шум бяха ежедневна рутина, тъй като ЯМР страда от разочароващо ниска чувствителност, която сериозно ограничава приложенията му. Ханс Примас разработи и анализира техники за модулация на полето, конструира система за затваряне на честотата на полето и допринесе за нов дизайн на полюсните капачки за електромагнита, който трябваше да осъществи изключително хомогенно магнитно поле. Тези разработки доведоха до два вида спектрометри, които бяха приети за изработка от “Trüb-Täuber”, швейцарска компания за електроника, и се продаваха в цяла Европа. По-късно през 1965 г. “Trüb-Täuber” престана да съществува и секцията за ЯМР спектроскопия доведе до основаването на “Spectrospin AG”, която, заедно с “Bruker Analytische Messtechnik”, днес е водещ световен производител на ЯМР спектрометри.

Аз се занимавах с изграждането на високочувствителни радиочестотни предусилватели и по-специално с високочувствителни сондажни модули, първоначално за 25 MHz-ов, а по-късно за 75 MHz-ов протонен резонансен спектрометър. От теоретична гледна точка работех върху стохастичния резонанс. Целта, поставена от Ханс Примас, беше използването на случаен шум за възбуждане на ядрено-магнитен резонанс, следвайки известните концепции на Норберт Винер за стохастичното тестване на нелинейните системи. Аз по-специално се опитах да проектирам схема на хомонуклеарно широколентово отделяне, за да опростя спектрите на протонния резонанс. Чрез прилагане на стохастична последователност с оформена спектрална плътност на мощността всички външни протони трябваше да бъдат отделени, без да се нарушава наблюдавания протонен спин. Теоретичните трудности бяха свързани главно с изчисляването на отговора на небелия шум. По това време не се правеха подобни експерименти, така или иначе не се вярваше в полезността на тази концепция и аз завърших дипломната си работа през 1962 г. с чувството на артист, който балансира по високо въже без заинтересовани зрители.

Затова реших да напусна университета и се опитах да намеря работа в индустрията на Съединените щати. Сред многобройните предложения избрах “Varian Associates” в Пало Алто, където известни учени като Уестън А. Андерсън, Рей Фрийман, Джим Хайд, Мартин Пакард и Хари Уивър работеха по сходни проблеми като нас в Цюрих, но с ясна търговска цел в ума. Това привлече интереса ми, надявайки се да намеря някаква мотивация за своята работа. И наистина, имах изключителен късмет. Уестън Андерсън беше на път да изобрети спектроскопията с преобразуване на Фурие, за да подобри чувствителността на ЯМР чрез паралелно събиране на данни. След участието си в разработването на интересно механично устройство, „колелото на късмета“, за генериране и откриване на няколко честоти паралелно, той ми предложи през 1964 г. да опитам експеримент с импулсно възбуждане, който наистина доведе до ЯМР с трансформация на Фурие (FT), както го познаваме днес. Първите успешни опити бяха направени през лятото на 1964 г., докато Уестън Андерсън беше в чужбина в продължителна командировка. В работата можах да използвам по оптимален начин знанията си по теория на системите, придобити по време на обучението ми с Примас и Гюнтхард. Реакцията на нашето изобретение обаче беше слаба. Статията, която описваше нашите постижения, беше отхвърлена два пъти от “Journal of Chemical Physics”, за да бъде най-накрая приета и публикувана в “Review of Scientific Instruments”. “Varian” също се съпротивляваше на изграждането на спектрометър, който включва новата концепция за трансформация на Фурие. Минаха години преди в конкурентната компания “Bruker Analytische Messtechnik” Тони Келър и неговите колеги да демонстрират през 1969 г. за първи път комерсиален FT ЯМР спектрометър за голямо учудване на “Varian”, която имаше патентните права върху изобретението.

Все още във “Varian”, аз разширявах допълнително предишната си работа върху стохастичния резонанс с въвеждането на хетеронуклеарно широколентово отделяне чрез шумово облъчване, „шумово отделяне“, което доведе до бързото развитие на спектроскопията с въглерод-13. По-късно тя беше заменена от много по-ефективните схеми с множеството импулсации на Малкълм Х. Левит и Рей Фрийман, използващи съставни импулси.

От голямо значение за успеха на по-напредналите експерименти и техники за измерване с ЯМР беше наличието на малки лабораторни компютри, които можеха да бъдат свързани директно със спектрометъра. През последните ми години във “Varian” (1966-68) разработихме множество компютърни приложения в спектроскопията за автоматизирани експерименти и подобрена обработка на данни.

През 1968 г. се върнах в Швейцария след продължително пътуване из Азия. Кратко посещение в Непал даде началото на моята ненаситна любов към азиатското изкуство. Основният ми интерес е насочен към тибетските рисувани свитъци, така наречените тханки, уникална и вълнуваща форма на религиозно изкуство със свои строги правила и въпреки това включваща невероятно изобилие от креативност.

Като се въртах в Швейцария, имах шанса да поема ръководството на изследователската група с ЯМР в “Laboratorium für Physikalische Chemie” на ETH-Z, след като професор Примас насочи интересите си повече към теоретичната химия. Въпреки първоначалната липса на подходящ инструментариум, продължих да работя върху методологичните подобрения на ЯМР във времевата област с повтарящи се импулсни експерименти и двоен резонанс на Фурие. В допълнение проведохме първите експерименти с химически индуцирана динамична ядрена поляризация (CIDNP). По това време разработихме и стохастичен резонанс като алтернатива на импулсната FT спектроскопия, използвайки двоични псевдослучайни шумови последователности за широколентово възбуждане, корелиращи входния и изходния шум. Подобна работа беше извършена едновременно от проф. Рейнхолд Кайзер от университета в Ню Брънзуик.

Следващото щастливо събитие се случи през 1971 г., когато моят първи дипломиран студент, Томас Бауман, посети лятното училище в Башко поле, Югославия, където професор Жан Жеенер предложи проста двуимпулсна последователност, която създава, след двумерна трансформация на Фурие, две-дименсионален (2D) спектър. С течение на времето осъзнахме важността и универсалността на неговото предложение. В моята група Енрико Бартолди първоначално извърши някои аналитични изчисления, за да изследва характеристиките на 2D експериментите. Най-накрая, през лятото на 1974 г., направихме нашите първи експерименти в отчаяна нужда от резултати, които да бъдат представени на VI-та международна конференция за магнитен резонанс в биологичните системи, Кандерстег, 1974 г.

В същото време ми хрумна, че принципът на 2D спектроскопията може да се приложи и към ЯМР изображенията, предложени преди това от Пол Лаутербър. Това доведе в последствие до изобретяването на изображенията на Фурие, на които понастоящем се основава най-често използваната техника за спин-уърп визуализации. Първите експерименти бяха направени от Анил Кумар и Дитер Велти.

Оттам нататък развитието на многоизмерната спектроскопия вървеше много бързо, вътре и извън нашата изследователска група. Проф. Джон С. Уо я разшири за приложения с резонанс на твърдото тяло, а изследователската група на проф. Рей Фрийман, особено Джефри Боденхаузен, допринесе за някои от първите хетероядрени експерименти. Започнахме през 1976 г. интензивно сътрудничество, продължило 10 години, с професор Курт Вютрих от ETH-Z за разработване на приложения за 2D спектроскопия в молекулярната биология. Той с неговата изследователска група допринесе за най-съществените иновации, които позволяват определянето на триизмерната структура на биомолекулите в разтвор.

През следващите години голям брой гениални колеги, по-специално Джефри Боденхаузен, Лукас Брауншвайлер, Кристиан Гризингер, Анил Кумар, Малкълм Х. Левит, Слободан Макура, Лучано Мюлер, Оле В. Сьоренсен и Александър Вокаун допринесоха за множество модификации на основната концепция за 2D спектроскопията като релейния тип кохерентност, множественото квантово филтриране, множествената квантова спектроскопия, пълната корелационна спектроскопия, ексклузивната корелационна спектроскопия, акордеонната спектроскопия, триизмерната спектроскопия и прочее. Успоредно с това множество други изследователски групи допринесоха с още по-голям брой иновативни методи.

Освен тези дейности в областта на ЯМР с висока разделителна способност, винаги сме имали изследователска програма за ЯМР на твърдото тяло, насочена към методологични разработки като усъвършенстване на методите на 2D спектроскопията и спиновата дифузия, а също и приложения към конкретни системи като едномерните органични проводници, полимерните смеси и динамиката в карбоксилните киселини с водородни връзки - в сътрудничество с Томас Бауман, Пабло Каравати, Федерико Граф, Макс Линдер, Бит Х. Майер, Ролф Майер, Тиери Шафхаузер, Армин Щокли и Дитер Сутер.

Съвсем наскоро имах удоволствието да си сътруднича близо с проф. Артър Швайгер, изключително иновативен EPR спектроскопист в разработването на импулсни EPR и ENDOR методи. Това се оказа особено предизвикателна област поради присъщите ѝ експериментални трудности и многото начини за преодоляване на проблемите.

През последните години все повече и повече от времето ми беше погълнато от административна работа към изследователския съвет на ETH-Z, чийто президент съм и в момента. Разбрах, че учебните и изследователските институции жизнено важно зависят от участието на активни учени и в управленски дейности.

Поглеждайки назад, осъзнавам, че бях изключително облагодетелстван от външните обстоятелства, правилното място в подходящото време по отношение на моята докторска дисертация, първата ми работа в САЩ, научаването за идеята на Жан Жеенер и по-специално от това, че имах невероятно брилянтни колеги. Най-накрая, аз съм изключително благодарен за подкрепата и за периодичното коригиране на моите ценностни стандарти от съпругата ми Магдалена, която остана с мене досега повече от 28 години въпреки всичките проблеми на брака ѝ с човек, егоистично пристрастен към работата си и с непредсказуем нрав. Магдалена, без много участие от моя страна, възпита и трите ни деца: Анна Магдалена (учителка в детска градина), Катарина Елизабет (учителка в начално училище) и Ханс-Мартин Валтер (все още гимназист). Не съм изненадан, че нямат никакво намерение да вървят по моите стъпки, въпреки че ако имах втори шанс, със сигурност бих опитал да повторя сегашната си кариера.

ИЗТОЧНИК: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1991/ernst/biographical/

Превод от английски: Павел Николов