Ahmed H. ZEWAIL (Damanhur, Egipto, 1946 – Pasadena, CA, 2016) recibió el premio Nobel de Química en 1999 “por sus estudios de los estados de transición en las reacciones químicas empleando espectroscopia de femtosegundos”. Estudió en la Universidad de Alejandría y se doctoró en la Universidad de Pensilvania en 1974. Tras dos años en la Universidad de California, Berkeley, pasó al Caltech donde tuvo, desde 1990, la cátedra Linus Pauling de Química Física. Su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Fotoquímica. Dinámica del enlace químico en escala atómica empleando láseres ultrarrápidos”, consistió en un libro de noventa y cinco páginas. Presentó un esquema del aparato con el que nació una nueva ciencia: la femtoquímica, que estudia las reacciones químicas en la escala de tiempo en las que tienen lugar en la realidad, esto es, conseguir ‘ver’ cómo se rompen y se generan los enlaces. Para que tenga lugar una reacción química, los átomos y moléculas tienen que adquirir energía suficiente para rebasar la barrera de energía potencial, luego reaccionan en femtosegundos ¡y un femtosegundo (fs) es una milbillonésima de segundo! Las reacciones ‘lentas’ adquieren despacio la energía suficiente, pero el hecho de la reacción, el paso por el estado de transición, es igual de rápido, del orden de las vibraciones moleculares. En el aparato de Zewail y colaboradores un haz molecular de las sustancias atraviesa una cámara de vacío en la que reciben dos pulsos de láser: uno que excita las moléculas a un mayor estado energético y otro, con una longitud de onda escogida, que examina el estado energético de las moléculas. Modificando el intervalo de tiempo entre pulsos mediante espejos que varíen las trayectorias de los rayos, se pueden detectar la velocidad y el modo en que se transforman las estructuras de las moléculas. Los resultados de los espectros se comparan con los cálculos químico cuánticos. Los primeros ensayos del equipo de Zewail los realizaron con el cianuro de iodo y el ioduro de sodio, con los resultados:                ICN* —> I···CN* —> I + CN (en 200 fs) ; el NaI pasa de covalente a iónico cuando la distancia interatómica es de 6,9 angstrom. También estudiaron reacciones como              H + CO2 —> OH + CO , que pasa a través del producto intermedio HOCO en 1000 fs. La femtoquímica se ha desarrollado: ahora se emplea en química orgánica y bioquímica, en química inorgánica y atmosférica, en fases condensadas y mesoscópicas, en procesos en las superficies (catálisis heterogénea), en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos para su uso en electrónica y en sistemas biológicos. Ahora ya no se habla, dijo Zewail, de ‘activación’ y de ‘estado de transición’ en las reacciones, sino de movimientos de átomos, que ya no son invisibles. Una revolución.

Gerhard ERTL (Bad Caanstadt, Alemania, 1936) recibió el premio Nobel de Química en 2007 “por sus estudios de los procesos químicos sobre superficies sólidas”. Se doctoró en 1965 en la Universidad Técnica de Munich con una tesis sobre la síntesis de agua en superficies de cristales de germanio dirigida por Heinz Gerischer (1919 – 1994) a quien, años después, sucedió como director del Fritz Haber Institut en Berlín. Tras su retiro en 2004 como profesor en universidades alemanas, siguió dando clases. En su discurso del Nobel, titulado “Reacciones en las superficies: de los átomos a la complejidad”, dejó constancia de que se le considere, debido al empleo de nuevos procedimientos experimentales, el creador de una metodología de las reacciones catalíticas heterogéneas. Comenzó diciendo que la reacción de obtención del amoniaco a partir del aire fue el gran invento contra el hambre. Para demostrarlo, aportó una comparación entre el aumento de la población y el de la producción de amoniaco durante el siglo XX: el crecimiento era paralelo. Por su importancia, revisó la síntesis del NH3 con catalizador de hierro, comprobando que la velocidad límite la marcaba la quimisorción de N2. Y es que la rotura de enlaces en la quimisorción quizá represente el papel más importante en la catálisis. En los años 60, dijo, gracias a los métodos físicos y al vacío ultra-alto (UHV, del orden de 100 nanopascales), se incrementó el conocimiento de las superficies cristalinas sencillas, en tanto en cuanto se determinaron los átomos superficiales, sus estados eléctricos y su capacidad catalítica. Por ejemplo, se pueden obtener imágenes con el microscopio de efecto túnel de una superficie de platino después de exponerla a una pequeña concentración de moléculas O2 a 165 K, que muestran los átomos quimisorbidos de oxígeno. También, se puede obtener una mejor comprensión del intercambio de energía entre el sólido y las especies quimisorbidas aplicando técnicas de láser de femtosegundos: el equilibrio se alcanza en unos 1000 fs. Además, mediante la difracción electrónica de baja energía (LEED) es posible determinar, por ejemplo, la distancia entre átomos de nitrógeno adsorbidos en la superficie del Fe hasta formar una monocapa. Con estos métodos, Ertl completó el mecanismo de la síntesis del NH3 catalizada por el Fe:

N2 <==> N2(ad)<==> 2N(ad) / H2 <==> 2H(ad) / N(ad) + H(ad) <==> NH(ad) /

NH(ad) + H(ad) <==> NH2(ad) / NH2(ad) + H(ad) <==> NH3(ad) <==> NH3

Ertl expuso que la oxidación del monóxido de carbono, 2CO + O2 = 2CO2 , con catalizador de Pt, se producía a través de: O(ad) + CO(ad) —> CO2. Cuando la cubrición de los adsorbatos excede al 20% de una monocapa, la estructura superficial del Pt se transforma por producirse cambios en las posiciones relativas de los átomos. Mientras tiene lugar el acoplamiento entre las diferentes partes de la superficie los adsorbatos se difunden y la cinética de la reacción es oscilante. Ertl empleó un microscopio de fotoemisión de electrones (PEEM, microscopia fotoelectrónica) con el que detectó imágenes de la formación de ondas espirales durante la oxidación del CO que se rompen en un régimen turbulento. Estas ondas pueden simularse por ordenador.

Las investigaciones de Gerhard Ertl en la ciencia de superficies sólidas no sólo son fundamentales en la catálisis, sino también en la corrosión, en la fricción y en el crecimiento de los cristales. Sus trabajos de mayor importancia práctica los realizó en los procesos de catálisis heterogénea, por ejemplo, consiguió la eliminación de sustancias tóxicas en los de los escapes de los automóviles. La técnica para producir alto vacío ha sido empleada en la industria de semiconductores.