兩位諾獎得主的悲慘人生

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歷史證明,即使你的發明拯救了上億的人口,你也不能活得很滋潤。

什麼發明可以拯救那麼多人呢?

很簡單,化肥,準確的說,是氮肥

弗裡茨·哈伯卡爾·博施就是實現工業氮肥的兩個諾貝爾獎得主。

Food crisis

糧食危機

讓我們把時間回到十九世紀末。1898年,這一年,英國科學院院長威廉·克魯克斯給出了一個驚人的預測——如果保持當下的人口增長速度,人類將在 20世紀30 年代左右的某個時間開始大量死於飢餓。

人口增加,土地有限;地球上只有這麼多耕地。人口繼續增加,耕種和重新耕種的土壤將慢慢失去肥力,必然會出現大規模飢餓。

在最開始的時候,各個國家還能靠著鳥糞度過,但是現在購買鳥糞的法子已經行不通了,鳥糞越來越少,而人口越來越多,鳥糞的價格甚至堪比黃金!事實上,為了爭奪有肥沃鳥糞的土壤,歐美各國之間已經展開了不少的戰爭。但是鳥糞畢竟是有限的,在克魯克斯的演講發表的時候,大家都已經知道僅靠爭奪鳥糞來維持糧食生產已經是不可能的了。

克魯克斯說,答案只有一個——合成大量的肥料。世界上沒有足夠的天然肥料來滿足即將到來的 20 世紀的需求,我們必須找到某種方法來製造更多的人工肥料來滿足人類的需求。

「我相信,通過實驗室,」他說,「我們可以。」

Attempts by predecessors

前輩的嘗試

雖然這個反應看上去及其簡單,但是如果你有高中化學知識,你就應該能看出來問題——氮氣是三鍵,破壞三鍵是一件很困難的事情。在自然界中,只有兩種途徑可以破壞氮氣的三鍵——第一個就是閃電,閃電短時間內釋放的巨大能量能夠讓一些氮氣分子分解成氮的自由基,這些自由基又很快地和氧氣發生反應生成二氧化氮;第二種就是生物固氮,最有名的就是根瘤菌,但是這種方法效率實在太慢了,根本不能滿足快速增長的人口。

就像大部分的實驗,一般都有前浪的嘗試,用氮氣合成氨這個實驗也不例外。早在1811年,德國化學家希爾德布萊特就嘗試用高壓來破壞氮氣,但沒有成功。隨後的將近一百年裡,也有不少的科學家嘗試用高溫高壓的方法來固定氮,但是效果微乎其微。值得一提的是後面弗裡茨·哈伯的撕逼對象瓦爾特·能斯特的導師奧斯特瓦爾德也做過相似的實驗,他用高溫高壓和鐵作為催化劑來發生反應,本來都要申請專利了,但是後來卡爾·博施指了實驗的致命缺點——奧斯特瓦爾德所用的鐵裡面本生就含有硝酸鐵,而硝酸鐵在高溫高壓下會和氫氣反應生成氨氣,所以這壓根不是氮氣和氫氣反應,也就是說奧斯特瓦爾德的實驗是廢品。

奧斯特瓦爾德這位大佬都失敗了,很多人都懷疑通過氮氣氫氣合成氨氣的可能性。但是弗裡茨·哈伯不服,他已經在這個問題上花費了五年的青春了,他認為他找到方法了。

From the lab to the factory

實驗室到工廠

每當一個被眾人懷疑的反應發表的時候,總是少不了撕逼的。哈伯的發現也不例外。我們來介紹一下質疑哈伯的撕逼對象——瓦爾·能斯特。他是發現熱力學第三定律的大佬,在哈伯還在大學做研究的時候,他已經在物理化學學界比較有名了。當時的他看到了哈伯的報告,雖然只報告了很少的氨氣產出,但是根據他的理論,這個產出應該更少,所以他寫信給哈伯,說哈伯的實驗資料有偏差,並會在下一次的學術會上提出矯正他的錯誤。

哈伯覺得這是奇恥大辱。因此,他重新做了實驗,這次的實驗用了比能斯特高的高壓環境,資料比之前的測量稍微低了一點,但最後的產出比能斯特的資料要高出很多。在學術會上,能斯特諷刺到:「如果哈伯的資料和實驗是準確的,那會是非常有潛力的發現,甚至可能用在工業上,只可惜他是錯的。」

接受這個撕逼挑戰後,哈伯重新調整了他的實驗。之前的實驗產出率都不高,為了打臉能斯特,哈伯需要更好的實驗結果。他開始嘗試新的金屬催化劑——常用的金屬已經試的差不多了,基本上對氨氣的產能都沒有很大的提升。於是他趁著自己職務的方便(在一個電燈廠做技術諮詢),用了更稀有的金屬,包括鉑,鈾,鋨,最後確定了鋨能產出最高的產量。這個發現足以讓這個行業所有的人感到振奮。這時哈伯的金主巴斯夫(BASF)派了卡爾·博施來讓這個過程工業化。哈伯的機器並不大,但是如果想要工業化,一個適用於工業的大機器就會急劇增加工程難度。接下來的幾個月,卡爾·博施和他的團隊就努力的解決這個問題。

其中最大的問題就是,他們想要的尺寸的反應室內壁在反應中會裂開,他們嘗試了各種不同的方法來阻止這個開裂,但是效果微乎其微。最終,卡爾·博施有了一個大膽的想法:他們一直認為內壁應該是一層,用來承受高溫高壓,以及阻止氫氣和不鏽鋼發生反應(氫氣和不鏽鋼中的碳原子反應使得不鏽鋼變得更脆),但是如果有兩層的話問題就可以迎刃而解了。一層用來當炮灰,讓氫氣和它發生反應,另一層承擔高溫高壓。

第二個問題就是要解決金屬催化劑——在實驗室裡,鉑,鈾,鋨這些極其稀有的金屬你確實可以用,畢竟研究用不了多少金屬。但是放在工業裡,這個成本就不可能實現了。團隊裡面另一個人也恰好是金屬催化劑方面的專家,他嘗試了各種合金以後,發現不鏽鋼中混入一點鋁的氧化物,能作為鋨的替代品。

這個時候,哈伯幾乎在團隊裡沒有作用了,不過他並不難過,因為這個發明,他已經找到了新的他更向往的去處——重回學術界,當教授,當科學會的領導。不過諷刺的是,這個科學協會的名字叫作KWI,將來會成為迫害猶太人的科學協會之一,而哈伯本人就是猶太人。

不過那都是後話,現在的哈伯是絕對的愛國者。第一次世界大戰開始的時候,作為KWI的項目人之一,他和他的團隊開始了製作氯氣和其他有毒氣體的實驗,而德國就是第一個使用化學武器的國家。他可能有過倫理上的考量,但是按照他的說法——「如果我不做的話,別的國家也會有人做的」。而他的妻子克萊爾,也是一個化學家,因為他的愛好戰爭和對婚姻的失望,在得知了化學武器的投放後,克萊爾選擇了開槍自殺。

The end of Harper

哈伯的結局

作為一個狂熱的愛國者,同時也是一個猶太人,再結合一下時代背景,基本可以猜到哈伯的結局不會太好。一戰之後的蕭條,讓哈伯發了瘋的想要找到賺錢的方式來還上國家欠的錢——當然,這些嘗試都沒有成功。不久以後,納粹上臺,哈伯以還算體面的方式被開除了所有的職位,這摧毀了他的心理底線還有經濟支柱。一個愛國者最後在各個地方輾轉,因為他在一戰的事蹟,很多國家都對他的身份有所顧忌,最後他以一個英國人的身份死在了英國。

The end of Carl Bosch

卡爾·博施的結局

卡爾·博施的結局也並不好多。

即使你不是猶太人,即使你是個萬里無一的人才,如果你得罪了希特勒,你也照樣完蛋。卡爾就是那個倒楣蛋。

在希特勒沒上臺的時候,他花了很多錢去支持反對希特勒黨派上臺的報社,當然,效果不是很好,希特勒照樣上臺了。

總之,這位老兄非常看不慣希特勒的種族歧視,他認為人的高低貴賤就是需要看才能,這個信念讓他從一個普通小廠的兒子,晉升到了全國最大的化學公司的技術總負責人。

不過現實總是非常魔幻的,它不管你的才能,也不管你的信念。在屢次抗議了希特勒的做法以後,公司為了迎合納粹政府,在1937年把卡爾正式開除了。要知道,高溫高壓的合成氨已經為巴斯夫公司帶來了前所未有的利潤,但是卡爾被公司背叛了。跟哈伯一樣,他的信仰也已經崩塌了——他是諾貝爾獎得主,他有著崇高的理想,但是依舊被魔幻的現實打敗了。卡爾最後幾年在抑鬱和酗酒中度過,這個改變了世界的諾貝爾獎得主在1940年死去。

順帶一提,二戰時很多在巴斯夫中工作的科學家在二戰以後被判為戰犯,在網路上搜尋他們的名字的時候,詞條裡面除了說是德國科學家,緊跟著就是二戰戰犯。

有獎問答

我們在這裡準備了幾個與本文密切相關的問題,大家可以通過留言回答。前三位全部答對者可以獲得石頭科普工作室定製的帆布包一個哦~(文章發佈後24小時內作答有效;24小時後將在評論區精選所有作答的評論,並公示中獎者)

  1. 在自然界中,破壞氮氣的三鍵的方式有哪些?

  2. 在實驗室中,哪種稀有金屬能夠得到合成氨氣的最高產量?

  3. 科學家在氮肥工業化過程中如何解決金屬催化劑的問題?

大家快來踴躍作答吧~

參考文獻

Hager, Thomas. The Alchemy of Air: A Jewish Genius, a Doomed Tycoon, and the Scientific Discovery That Fed the World but Fueled the Rise of Hitler. Broadway Books, 2008.

Smil, Vaclav. Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production. MIT, 2004.

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