1932年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir , 1881 – 1957)是第一位在工業實驗室工作而獲得諾貝爾獎的科學家。1909年起, 他在美國通用電氣公司研究實驗室工作了41年, 從白熾燈改進工作開始,在技術研發和基礎科學理論研究兩個方面都取得了豐碩的成果。朗繆爾的科學道路透射出他所處時代美國工業研究實驗室與基礎科學研究之間的聯系, 尤其是科學家在工業研究實驗室中新角色的形成。
1934年,朗繆爾偕夫人做環球之旅,途中到訪我國, 受到熱烈歡迎,朗繆爾參觀學術機構、與學者們座談交流,并發表演講。朗繆爾在華學術活動從一個側面反映了我國20世紀30 年代的科學交流情況。
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1881 年1月31日, 朗繆爾出生于紐約市的布魯克林,父親查爾斯 (Charles)從事保險業,母親薩迪·卡明絲(Sadie Comings)是一位名醫的女兒。朗繆爾在四弟兄中排行第三,大哥亞瑟(Arthur)對他青少年時期的興趣愛好和學習生活影響頗多。
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6 歲時,亞瑟從學校帶回一瓶自制的氯氣,他讓朗繆爾聞一聞,朗繆爾卻猛吸一口,窒息過去,幾乎送命。從那以后,父親定下規矩:嚴禁把化學物品帶回家。事實上,這次事故不但沒有嚇退朗繆爾,反而進一步激發了他的興趣。也許是從這時開始,化學進入了他的血液,并逐漸成為了他的生命。9歲時,鑒于朗繆爾對化學的強烈愛好,父親準許他在亞瑟的引導下,在家里的地下室建立一個小實驗室,還掛起“歐文工作室”的牌子。兄弟倆最喜歡的實驗是,把氨氣和碘混合起來放在家中各處,這樣母親和弟弟迪恩(Dean)經常碰到對人無害的輕微爆炸。母親沒有制止他們,還很為朗繆爾感到自豪, “歐文生來就是一個科學家,我保證,他將聞名于世。”
1892 年, 由于保險業務的拓展,朗繆爾的父親被派往巴黎工作,全家也搬到巴黎。在巴黎,朗繆爾先后被送入 cole Alsacienne 、cole Monge 和 cole Jeanne d’ Arc 等學校。在這些學校里,嚴格的課堂紀律使朗繆爾甚為拘束。朗繆爾時常抱怨每天必須要學三個小時的拉丁文,每周卻只有兩個小時的算術課。從這時起, 朗繆爾開始學習代數、幾何等數學知識, 他每天還會花上一兩個小時在化學實驗室,跟老師一起做實驗。1893年,繆爾一家到瑞士度假,亞瑟第一次帶他登山,從此,朗繆爾愛上了這項運動,這為他晚年研究人工降雨做了間接準備。
1895 年,14 歲的朗繆爾隨同已獲化學博士學位的亞瑟回到美國費城,進入Chestnut Hill Academy 學習。 根據入學成績,朗繆爾被允許免修全部化學課程。當時的校長里德博士后來曾說過:“回憶起來,在我全部的教師生涯中,沒有一個學生象我們的Irving那樣如饑似渴和精力充沛地追求科學知識的。毫不奇怪,如此執著地探求和追求必定會產生豐碩的果實。”
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一年后,朗繆爾進入帕萊特工藝學校(Pratt Institute),并于1899 年畢業。同年,朗繆爾進入哥倫比亞大學礦業學院冶金工程專業。朗繆爾選擇專業的理由是, “該專業化學背景強,所修物理課程比化學多,數學課程比物理還多, 這三門課我都想學。”
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在哥倫比亞大學,朗繆爾給同學們留下的印象是一個十足的書蟲。他不加入任何俱樂部,不擔任社團職務,不參加體育比賽,更從未參加同學聚會,但他三年的平均成績卻達到了94 分。即使這樣優異的學習成績,也沒有多少老師注意到他,只有R .S .Woodward 博士覺察到了他的科學稟賦。在一次課堂上,Woodward 問道:“你們將來最想做什么? 你們要選擇什么樣的職業?” 朗繆爾回答說:“像開爾文勛爵那樣, 自由地從事研究。”Woodward異常驚喜,此后他特別留心朗繆爾,經常給他一些有挑戰性的題目,而朗繆爾也樂此不疲。1903 年6 月,朗繆爾從哥倫比亞大學畢業,獲得冶金工程師學位。
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畢業后,朗繆爾前往德國哥廷根大學留學,1904 年起,能斯特(Walther H .Nernst , 1864 -1941)成為朗繆爾的博士導師。此時能斯特正在研制一種新型白熾燈———能斯特燈(Nernst Lamp),同時也在積極準備“ 熱力學第三定律”的發表。能斯特被譽為物理化學之父,他也是那個時代少有的傾向于應用研究的科學家。能斯特的研究思想和風格影響了朗繆爾,他所開創的諸多研究領域,后來也在朗繆爾手中得到發展。1904 年,能斯特給朗繆爾的研究題目是:不同氣體在受熱燈絲附近的反應。兩年后,朗繆爾完成了以此為題的博士論文。但誰都沒料到,這將成為朗繆爾迅速增長的興趣和如此豐富多彩創造的起點和 基礎。
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1906 年,朗繆爾受聘斯蒂文斯工學院(Stevens Institute of Technology)化學系,成為該系第三名教師。由于缺乏師資,朗繆爾的教學任務十分繁重。在寫給弟弟迪恩的信中,朗繆爾提到,“在斯蒂文斯工學院真的很辛苦,過去的兩個半月里,我一個人完成了足夠讓好幾個人完成的工作量。”盡管如此,朗繆爾在1907 —1908 年還是對其博士論文課題做了進一步的研究,尤其是探討了氣體的反應速度問題。1946年的諾貝爾物理學獎獲得者Percy W .Bridgman 說, “朗繆爾的這項工作,表現出他作為物理學家、化學家和工程師的直覺,如果這些結論能被其他實驗所采用必將產生出更多更有價值的成果。”
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1908 年秋,在紐約召開的一個學術會議上,朗繆爾遇到了大學同學ColinG .Fink 。會議期間,Fink帶朗 繆爾參觀了他當時供職的通用電氣公司研究實驗室。參觀中,朗繆爾有幸結識了該實驗室主任惠特尼 (Willis R .Whitney , 1868 -1958)。1909 年暑假,惠特尼邀請朗繆爾到通用研究實驗室做短期研究。開始時, 惠特尼并沒有給他安排具體研究工作,他讓朗繆爾先在實驗室里轉轉,再自己選擇感興趣的問題。暑假結束前,朗繆爾已對通用的研究工作產生了興趣,他喜歡這里的研究氛圍。當惠特尼伸來“橄欖枝” ——— 正式任職邀請時,朗繆爾愉快地接受了。此后, 他一直在此工作, 做出了一系列驚人的創造性發現:充氣白熾燈的發明、表面吸附理論及表面化學的創建、等離子體理論的提出, 人工降雨的實施等等。1932年起,朗繆爾任實驗室副主任,1950 年退休,退休后他繼續擔任通用電氣公司的顧問。
朗繆爾和大多數偉大的科學家相似之處在于,20 歲到40 歲之間迸發出巨大的創造力。但和大多數人不同的是,他的巨大創造力在四十幾歲、五十幾歲、六十幾歲、甚至到七十幾歲,還一直很旺盛。1909 -1953年的44 年中,朗繆爾在廣泛的研究領域中取得了多項重大科學發現和技術發明,他的多產是令人驚嘆的,一生共發表了科學論文二百多篇,獲得專利63項。對于許多物理和化學工作者,《歐文·朗繆爾文集》(The Collected Works of Irving Langmuir)至今仍是不可或缺的參考資料。
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朗繆爾對社會事業也很關心,他曾發表保護自然原野地和控制原子能的看法。1935 年他 曾作為Schenectady 市議會議員候選人。在兩次世界大戰中他都積極服務于政府。一戰中,他參加研制出潛艇探測裝置能有效地對付德國潛艇。二戰中,他發明了飛機高空飛行時防止機翼結冰的方法。他還發明了煙霧發生器,用以制造防護性煙霧,使陸上和海上成千上萬的同盟國士兵和公民成功躲避法西斯的轟炸, 這是他的一大功績。
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朗繆爾一生榮譽等身。1921 -1946 年,美國國內外大學授予他15個榮譽博士學位,其中有哥倫比亞大學、普林斯頓大學、哈佛大學、牛津大學、愛丁堡大學等。從參加工作至1950 年退休止,朗繆爾獲獎22 次,除了諾貝爾獎(1932)外,有美國化學學會授予的尼克斯獎章(1915 , 1920)、倫敦皇家學會的休斯獎章 (1918)、英國化學學會和電氣工程師學院的法拉第獎章(1938 , 1943)、富蘭克林學院的富蘭克林獎章 (1934)、法國科學院、電工學家學會的馬斯卡獎章(1948)、以及聯邦陸、海軍的功績獎章(1948)和國家科學院頒發的卡提獎章(1949)等。1929 年, 他當選美國化學會主席,1942 年當選美國科學促進會主席。他還是美國國家科學院的院士和英國皇家學會的外籍會員。
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1957 年8 月16 日,朗繆爾因突發心臟病辭世,享年76 歲。為了表示對這位偉大科學家的景仰,美國 阿拉斯加州的一座山被命名為朗繆爾山,紐約的一個學院被命名為歐文·朗繆爾學院;美國“真空科學與技術”雜志從1979 年起頒發蓋德—朗繆爾獎,借以表彰在真空和表面科學研究中獲得成就的科學家。在朗繆爾逝世21年后,英文《科學文摘》上,發表了一篇評介朗繆爾的短文,作者開篇寫道:“ 假若投票推選美國最偉大的科學家,穩操勝券的將是歐文·朗繆爾。
1879 年,愛迪生發明碳絲白熾燈, 揭開了電照明技術發展的新篇章。由于碳絲燈的低效率和短壽命,故而白熾燈的改進一直在探索中。1911 年,通用研究實驗室的庫利吉(William D .Coolidge , 1873 -1975)利用可延展鎢絲制成真空鎢絲燈, 大大提高了燈泡的發光效率,使電照明又一次發生了根本性的變革。但隨著電燈越來越廣泛的使用, 人們仍然希望電燈的效率更高、燈泡壽命更長。
1909 年,進入通用研究實驗室后,朗繆爾加入了白熾燈改進的行列, 試圖攻克真空鎢絲燈的主要缺陷 ———通電后鎢絲變脆、燈泡壁發黑問題。當時有這樣一個共識:燈泡內越高的真空,就意味著越理想的燈泡。受這個觀點的影響,朗繆爾與其他研究人員一樣,從探索獲得高真空的方法入手,試圖通過獲得更完美的真空來達到延長燈泡壽命的目的。但這樣的探索是不成功的,兩年多的時間過去了,理想燈泡還是天方夜譚。
在探索過程中,朗繆爾注意到惠特尼發現的一個現象:高真空燈泡中的殘留氣體,有消失的跡象。朗繆爾由此產生了一個新的問題:導致燈泡短壽命的是鎢絲本身的問題,還是殘留氣體與燈絲作用的結果?他設想,如果增加氣體,也許可以更容易觀察到它們的作用。因此,他決定往燈泡內充入不同的氣體,看看將出現什么現象。
這樣,就在別人仍在為獲得更理想的真空而努力時,朗繆爾開始往燈泡內充入各種氣體:氫氣、氧氣、 氮氣、一氧化碳、水蒸氣等等。很快,他就發現,除了水蒸氣,充入燈泡的其他氣體都不會導致燈泡變黑。另外,當燈泡內充入少量氫氣時,朗繆爾觀察到,在高溫下,氫氣會逐漸消失。經過研究發現,氫氣在高溫下被分解成氫原子,進而吸附在了燈泡的內壁。這樣,朗繆爾對混有水蒸氣的燈泡致黑現象就有了初步的認識,水蒸氣分子與熱鎢絲接觸產生易蒸發的氧化鎢;在高溫下,水分子又被分解成氫原子,氫原子吸附在燈泡玻璃壁上;具有高度化學活性的氫原子與氧化鎢反應,生成了水蒸氣和鎢。生成的水蒸氣又作用在鎢絲上 … … 。這個過程的持續進行,越來越多的鎢就沉積在燈泡內壁上。
水蒸氣是不是燈泡致黑、壽命縮短的惟一元兇?進一步的實驗中,朗繆爾發現,高溫下鎢絲本身也會不斷蒸發(evaporation), 并導致燈泡致黑。也就是說,即使能獲得理想的真空,也無法進一步延長燈泡壽命。
隨后,朗繆爾再把一個大氣壓的氮氣引入燈泡,奇跡出現了,燈絲在接近其熔點的溫度所維持的時間比在真空下延長了很多,熱損耗也大大降低了。原來,氮氣的存在,使鎢絲蒸發速率減慢,而且蒸發的鎢原子,在與氮氣分子的碰撞下又回到燈絲上。
充入氮氣的白熾燈壽命超過了1000 小時,效率比真空燈提高了30 %-40 %, 其效能達17 .4 流明。 后來,朗繆爾發現充入氬—氮混合氣體,制得的白熾燈的效果更佳。這種充氣白熾燈, 不僅壽命長,還比真空燈泡發出更多的白光,其在50 瓦以下發光效率雖提高不多, 但在50瓦以上,效率明顯提高,甚至能達到真空燈的兩倍。1913 年4 月19 日, 朗繆爾獲得“白熾燈專利” 。充氣白熾燈達到了白熾燈技術的頂峰,沿用數十年無根本性技術變革,直到21 世紀初,白熾燈開始逐漸退出歷史舞臺。
1928 年,在獲珀金獎章(Perkin Medal)演講中,朗繆爾回憶其研究思路時說,“科學研究有一個很重要的原則:當遇到要避免不利因素阻礙理想結果的出現,而不利因素又是無法避免的情況時,一個好的實驗方案是反其道而行,有意識地增加這些不利因素,放大其所產生的不利結果,這樣就可以發現,避免這些不利因素是否是有價值的。比如:如果有一個燈泡,里面的真空已經足夠理想,但是為了制造出更理想的燈泡,就不要再去設計繼續改善真空環境的方案了,而是應該按已掌握的方式盡量去破壞燈泡內的真空環境,那么就可能發現,或者改善真空是不必要的,或者真空還需多大程度地去改善。”
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表面化學是20世紀初期逐漸形成的一個新學科,但其所研究的一些現象則是早已熟知的, 如蒸發、凝聚、吸附等。1902 年詹姆斯·杜瓦(James Dewar , 1842 -1923)發現,冷卻在液態空氣中的活性炭能夠滯留大量的氧氣和氮氣,當時認為這是由活性炭的細裂狀態所決定的一種表面作用現象。杜瓦的解 釋是:這些氣體是被壓縮、凝聚在炭表面。此后,很多學者對固體表面吸附氣體做過定性描述,但他們只觸及到該領域的邊緣,不能說明吸附是如何發生的,無法解釋吸附的機制。
朗繆爾在研制充氣白熾燈過程中開始關注吸附現象。他發現,在充有少量氫氣的燈泡中鎢絲溫度達到1500K 時,氫氣會慢慢消失。此后,朗繆爾對這類過程進行了長達15年的實驗和理論研究。他認識到,高溫下氫氣離解成氫原子,這些氫原子吸附在燈泡玻璃壁上,且燈泡壁只能吸附有限量的氫氣。進一步,他在液態空氣溫度下測得被吸附氫的最大值,并由此推斷吸附氫的最大量是在燈泡壁形成單原子層。朗繆爾說,“這些實驗對于致力于改善燈泡的人來說,幾乎都是無用的,甚至是愚蠢的” 。但是,在這些“愚蠢的”實驗中,朗繆爾認識到吸附氣體限制在單分子厚度,邁出了認識吸附現象的關鍵一步。
1916 年,朗繆爾發表論文“固體、液體的結構和基本性質”,提出固體表面吸附氣體分子的單分子吸附層理論。他認為固體表面原子對氣體分子吸引力的本質,是固體表面原子的剩余價力的存在。如果固體表面已吸附了一層氣體分子,剩余價力就飽和了,不能再吸附第二層分子。剩余價力的大小決定了固體吸附劑對氣體分子吸附的強弱。他指出,吸附作用是氣體分子在吸附劑表面上凝聚和蒸發兩個相反過程 的平衡。由此,他推導出著名的朗繆爾吸附等溫式,不但適用于氣固表面上的吸附,而且很好地推廣到液固相以及氣液、液液流動界面的吸附,成為表面科學中的一個重要理論。
朗繆爾對液面上有機膜做了深入的研究。1916 -1917 年間,他完成了著名的水面油膜實驗。隨后,他完成了高級脂肪酸、醇、酯等不溶性膜在水面上的定向吸附實驗。朗繆爾發現了單分子膜壓,其大到能輕易推動浮在水面上的紙帶。據此,朗繆爾發明了水平式膜天平。這種膜天平結構簡單,使用方便,測量精確,至今仍是研究單分子膜的重要儀器。在分子結構研究中,膜天平也發揮過重要作用。當時尚無其他測量有機分子大小的可靠方法,而膜天平已可相當精確地測量出直鏈脂肪酸、醇及酯中碳原子間的垂直距離。約十年后,A .繆勒(Mǜller)等科學家才以X 射線方法證實了朗繆爾的結果。借助于膜天平,朗繆爾開 拓了單分子膜性質和分子結構這一新的研究領域。
朗繆爾發展了一系列研究膜的技術,研究了氣態膜、液態膜、固態膜以及復雜的蛋白質膜,測定了各種膜分子的取向、分子截面等。這一系列工作對了解潤滑油的作用、礦物浮選的機理、泡沫和乳狀液的穩定性等有廣泛的應用。他研究蛋白質的實驗技術被許多生物化學家和生物物理學家所采用。他對活化吸附和表面的催化活性的研究成果,影響了催化的吸附理論。
朗繆爾還發現,有些膜內分子能來回自由運動,就像氣體中的分子那樣,差別僅在于在這里它們只能做二維方向運動,而在通常氣體中,它們能做三維運動。這一發現,在化學研究中開辟了一個嶄新的重要研究領域:二維空間中物質狀態的研究。朗繆爾關于二維理想氣體的概念、方程及其動力學的解釋,在物理化學中也有深刻的影響。二維理想氣體方程除了在一般單分子膜研究中應用之外,還可來測定高分子 化合物(如蛋白質)的分子量。這一發現不僅提供了關于分子結構的信息,還可以獲得分子中和分子間作用力的有價值的信息。
朗繆爾建立了表面化學的基本概念、理論、研究技術和方法, 拓展了表面化學的研究和應用領域, 他研 究蛋白質的實驗技術被許多生物化學家和生物物理學家所采用, 人們還認識到, 由于生理意義的眾多化學 反應恰恰是表面反應, 表面化學也是理解和駕馭它們的基礎。今天, 表面化學促進了許多工業和技術的發 展, 如能源開發(包括石油開采、煤流態化即水煤漿和油煤混合物、太陽能利用)、催化、礦物浮選、膠片生 產、印染、色譜、液膜分離、海水淡化、農藥的分散和乳化及其應用、“輕水”泡沫滅火、以及人工降雨等。
因對表面化學所做的發現和研究, 朗繆爾獲得1932 年諾貝爾化學獎。瑞典皇家科學院諾貝爾獎化學 獎委員會主席索德鮑姆, 在諾貝爾獎頒獎詞中肯定了朗繆爾對表面化學的開創之功, 他說:“當前, 大批科 學家正在這一研究領域勤奮而成功地工作著, 然而, 在已開墾出的土地上耕耘的人不管多么勤勉, 更高的 榮譽屬于第一個人, 屬于開拓者。”
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朗繆爾是一位多產的科學大師,研究工作成果遍布基礎科學和應用技術的廣泛領域。充氣白熾燈的研制是他在通用研究實驗室早期取得的重要技術發明,與此相關,在技術上,朗繆爾發明了今天仍廣泛使用著的汞蒸氣擴散冷凝泵———朗繆爾泵,提出原子氫焊槍原理等;在理論上,他探尋現象背后的科學機理,對吸附現象及其機理做出清晰完整的解釋,最終開拓了表面化學領域。朗繆爾在原子結構模型、原子價學說、熱離子發射和氣體放電的理論、真空中液氮的制冷作用、等離子體物理和技術、蛋白質單分子層研制等許多方面均有建樹。諸多專項技術和科學術語以朗繆爾的名字命名,諸如:朗繆爾探針、朗繆爾冷凝擴散泵、朗繆爾吸附等溫式、路易斯—朗繆爾價鍵八重態理論、查德—朗繆爾空間電荷方程式等等。
朗繆爾的成功因素是多方面的。少年時期,他得到父親的理解,母親的鼓勵,哥哥的引導,這些使他的科學興趣和天賦得以自由展現,完美結合。求學階段,他的勤奮與執著又得到了老師們的鼓勵。進入研究階段, 他受益于導師能斯特在研究思想和道路上的指引,領導惠特尼的賞識與信任,以及通用電氣研究實驗室自由寬松的學術氛圍。20世紀初期,技術發明越來越科學化,美國的工業實驗室對高學術水平的研發人員的需求也越來越大,學術性的自由研究活動也逐漸在這類實驗室展開。朗繆爾是工業企業實驗室中這種學者型研究人才的先驅。客觀上,現代工業研究實驗室精良的技術設備,也為越來越技術化的現代科學研究創造了條件。
朗繆爾的研究活力從青年一直持續到老年,七十多歲時,他還做出驚人之舉———實施人工降雨,這讓他很快成為美國家喻戶曉的科學名人。朗繆爾對自然現象及其本質有強烈的好奇心,他說, “我最大的愛好就是從簡單、熟悉的自然現象中去領悟其中的內在機制。”在研究中,對簡單實驗的執著是朗繆爾的工作特色之一。朗繆爾常常用簡單精巧的儀器設備,來研究各種復雜的自然現象。研究表面膜時,他僅用紙片、金屬絲、玻璃槽等,便揭示出分子膜壓力的存在。朗繆爾還善于抓住現象背后的本質,并持之以恒地深入探索。難怪有學者做出這樣的評價,“在朗繆爾之前和以后,大概還沒有一個科學家用如此簡單的研究設備,卻能獲得這樣多新穎而又重要的成果。”
作為工業企業中工作的科學家,朗繆爾的理論研究成果大多在技術上獲得應用,同時,他在技術發明和改進中不忽視基礎科學問題。從這一點看,朗繆爾對我國學者的建議———在學習技術的同時致力于基礎科學研究———可謂其經驗之談。
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