【人物】表面化学的开拓者——诺贝尔化学奖得主欧文·朗缪尔（Irving Langmuir）

1932年诺贝尔化学奖得主欧文·朗缪尔(Irving Langmuir , 1881 – 1957)是第一位在工业实验室工作而获得诺贝尔奖的科学家。1909年起, 他在美国通用电气公司研究实验室工作了41年, 从白炽灯改进工作开始，在技术研发和基础科学理论研究两个方面都取得了丰硕的成果。朗缪尔的科学道路透射出他所处时代美国工业研究实验室与基础科学研究之间的联系, 尤其是科学家在工业研究实验室中新角色的形成。

1934年，朗缪尔偕夫人做环球之旅，途中到访我国, 受到热烈欢迎，朗缪尔参观学术机构、与学者们座谈交流，并发表演讲。朗缪尔在华学术活动从一个侧面反映了我国20世纪30 年代的科学交流情况。

1881 年1月31日, 朗缪尔出生于纽约市的布鲁克林，父亲查尔斯 (Charles)从事保险业，母亲萨迪·卡明丝(Sadie Comings)是一位名医的女儿。朗缪尔在四弟兄中排行第三，大哥亚瑟(Arthur)对他青少年时期的兴趣爱好和学习生活影响颇多。

6 岁时，亚瑟从学校带回一瓶自制的氯气，他让朗缪尔闻一闻，朗缪尔却猛吸一口，窒息过去，几乎送命。从那以后，父亲定下规矩：严禁把化学物品带回家。事实上，这次事故不但没有吓退朗缪尔，反而进一步激发了他的兴趣。也许是从这时开始，化学进入了他的血液，并逐渐成为了他的生命。9岁时，鉴于朗缪尔对化学的强烈爱好，父亲准许他在亚瑟的引导下，在家里的地下室建立一个小实验室，还挂起“欧文工作室”的牌子。兄弟俩最喜欢的实验是，把氨气和碘混合起来放在家中各处，这样母亲和弟弟迪恩(Dean)经常碰到对人无害的轻微爆炸。母亲没有制止他们，还很为朗缪尔感到自豪， “欧文生来就是一个科学家，我保证，他将闻名于世。”

1892 年, 由于保险业务的拓展，朗缪尔的父亲被派往巴黎工作，全家也搬到巴黎。在巴黎，朗缪尔先后被送入 cole Alsacienne 、cole Monge 和 cole Jeanne d’ Arc 等学校。在这些学校里，严格的课堂纪律使朗缪尔甚为拘束。朗缪尔时常抱怨每天必须要学三个小时的拉丁文，每周却只有两个小时的算术课。从这时起, 朗缪尔开始学习代数、几何等数学知识, 他每天还会花上一两个小时在化学实验室，跟老师一起做实验。1893年，缪尔一家到瑞士度假，亚瑟第一次带他登山，从此，朗缪尔爱上了这项运动，这为他晚年研究人工降雨做了间接准备。

1895 年，14 岁的朗缪尔随同已获化学博士学位的亚瑟回到美国费城，进入Chestnut Hill Academy 学习。 根据入学成绩，朗缪尔被允许免修全部化学课程。当时的校长里德博士后来曾说过：“回忆起来，在我全部的教师生涯中，没有一个学生象我们的Irving那样如饥似渴和精力充沛地追求科学知识的。毫不奇怪，如此执着地探求和追求必定会产生丰硕的果实。”

一年后，朗缪尔进入帕莱特工艺学校(Pratt Institute)，并于1899 年毕业。同年，朗缪尔进入哥伦比亚大学矿业学院冶金工程专业。朗缪尔选择专业的理由是， “该专业化学背景强，所修物理课程比化学多，数学课程比物理还多, 这三门课我都想学。”

在哥伦比亚大学，朗缪尔给同学们留下的印象是一个十足的书虫。他不加入任何俱乐部，不担任社团职务，不参加体育比赛，更从未参加同学聚会，但他三年的平均成绩却达到了94 分。即使这样优异的学习成绩，也没有多少老师注意到他，只有R .S .Woodward 博士觉察到了他的科学禀赋。在一次课堂上，Woodward 问道：“你们将来最想做什么? 你们要选择什么样的职业?” 朗缪尔回答说：“像开尔文勋爵那样, 自由地从事研究。”Woodward异常惊喜，此后他特别留心朗缪尔，经常给他一些有挑战性的题目，而朗缪尔也乐此不疲。1903 年6 月，朗缪尔从哥伦比亚大学毕业，获得冶金工程师学位。

毕业后，朗缪尔前往德国哥廷根大学留学，1904 年起，能斯特(Walther H .Nernst , 1864 -1941)成为朗缪尔的博士导师。此时能斯特正在研制一种新型白炽灯———能斯特灯(Nernst Lamp)，同时也在积极准备“ 热力学第三定律”的发表。能斯特被誉为物理化学之父，他也是那个时代少有的倾向于应用研究的科学家。能斯特的研究思想和风格影响了朗缪尔，他所开创的诸多研究领域，后来也在朗缪尔手中得到发展。1904 年，能斯特给朗缪尔的研究题目是：不同气体在受热灯丝附近的反应。两年后，朗缪尔完成了以此为题的博士论文。但谁都没料到，这将成为朗缪尔迅速增长的兴趣和如此丰富多彩创造的起点和 基础。

1906 年，朗缪尔受聘斯蒂文斯工学院(Stevens Institute of Technology)化学系，成为该系第三名教师。由于缺乏师资，朗缪尔的教学任务十分繁重。在写给弟弟迪恩的信中，朗缪尔提到，“在斯蒂文斯工学院真的很辛苦，过去的两个半月里，我一个人完成了足够让好几个人完成的工作量。”尽管如此，朗缪尔在1907 —1908 年还是对其博士论文课题做了进一步的研究，尤其是探讨了气体的反应速度问题。1946年的诺贝尔物理学奖获得者Percy W .Bridgman 说， “朗缪尔的这项工作，表现出他作为物理学家、化学家和工程师的直觉，如果这些结论能被其他实验所采用必将产生出更多更有价值的成果。”

1908 年秋，在纽约召开的一个学术会议上，朗缪尔遇到了大学同学ColinG .Fink 。会议期间，Fink带朗 缪尔参观了他当时供职的通用电气公司研究实验室。参观中，朗缪尔有幸结识了该实验室主任惠特尼 (Willis R .Whitney , 1868 -1958)。1909 年暑假，惠特尼邀请朗缪尔到通用研究实验室做短期研究。开始时, 惠特尼并没有给他安排具体研究工作，他让朗缪尔先在实验室里转转，再自己选择感兴趣的问题。暑假结束前，朗缪尔已对通用的研究工作产生了兴趣，他喜欢这里的研究氛围。当惠特尼伸来“橄榄枝” ——— 正式任职邀请时，朗缪尔愉快地接受了。此后, 他一直在此工作, 做出了一系列惊人的创造性发现：充气白炽灯的发明、表面吸附理论及表面化学的创建、等离子体理论的提出, 人工降雨的实施等等。1932年起，朗缪尔任实验室副主任，1950 年退休，退休后他继续担任通用电气公司的顾问。

朗缪尔和大多数伟大的科学家相似之处在于，20 岁到40 岁之间迸发出巨大的创造力。但和大多数人不同的是，他的巨大创造力在四十几岁、五十几岁、六十几岁、甚至到七十几岁，还一直很旺盛。1909 -1953年的44 年中，朗缪尔在广泛的研究领域中取得了多项重大科学发现和技术发明，他的多产是令人惊叹的，一生共发表了科学论文二百多篇，获得专利63项。对于许多物理和化学工作者，《欧文·朗缪尔文集》(The Collected Works of Irving Langmuir)至今仍是不可或缺的参考资料。

朗缪尔对社会事业也很关心，他曾发表保护自然原野地和控制原子能的看法。1935 年他 曾作为Schenectady 市议会议员候选人。在两次世界大战中他都积极服务于政府。一战中，他参加研制出潜艇探测装置能有效地对付德国潜艇。二战中，他发明了飞机高空飞行时防止机翼结冰的方法。他还发明了烟雾发生器，用以制造防护性烟雾，使陆上和海上成千上万的同盟国士兵和公民成功躲避法西斯的轰炸, 这是他的一大功绩。

朗缪尔一生荣誉等身。1921 -1946 年，美国国内外大学授予他15个荣誉博士学位，其中有哥伦比亚大学、普林斯顿大学、哈佛大学、牛津大学、爱丁堡大学等。从参加工作至1950 年退休止，朗缪尔获奖22 次，除了诺贝尔奖(1932)外，有美国化学学会授予的尼克斯奖章(1915 , 1920)、伦敦皇家学会的休斯奖章 (1918)、英国化学学会和电气工程师学院的法拉第奖章(1938 , 1943)、富兰克林学院的富兰克林奖章 (1934)、法国科学院、电工学家学会的马斯卡奖章(1948)、以及联邦陆、海军的功绩奖章(1948)和国家科学院颁发的卡提奖章(1949)等。1929 年, 他当选美国化学会主席，1942 年当选美国科学促进会主席。他还是美国国家科学院的院士和英国皇家学会的外籍会员。

1957 年8 月16 日，朗缪尔因突发心脏病辞世，享年76 岁。为了表示对这位伟大科学家的景仰，美国 阿拉斯加州的一座山被命名为朗缪尔山，纽约的一个学院被命名为欧文·朗缪尔学院；美国“真空科学与技术”杂志从1979 年起颁发盖德—朗缪尔奖，借以表彰在真空和表面科学研究中获得成就的科学家。在朗缪尔逝世21年后，英文《科学文摘》上，发表了一篇评介朗缪尔的短文，作者开篇写道：“ 假若投票推选美国最伟大的科学家，稳操胜券的将是欧文·朗缪尔。

1879 年，爱迪生发明碳丝白炽灯, 揭开了电照明技术发展的新篇章。由于碳丝灯的低效率和短寿命，故而白炽灯的改进一直在探索中。1911 年，通用研究实验室的库利吉(William D .Coolidge , 1873 -1975)利用可延展钨丝制成真空钨丝灯, 大大提高了灯泡的发光效率，使电照明又一次发生了根本性的变革。但随着电灯越来越广泛的使用, 人们仍然希望电灯的效率更高、灯泡寿命更长。

1909 年，进入通用研究实验室后，朗缪尔加入了白炽灯改进的行列， 试图攻克真空钨丝灯的主要缺陷 ———通电后钨丝变脆、灯泡壁发黑问题。当时有这样一个共识：灯泡内越高的真空，就意味着越理想的灯泡。受这个观点的影响，朗缪尔与其他研究人员一样，从探索获得高真空的方法入手，试图通过获得更完美的真空来达到延长灯泡寿命的目的。但这样的探索是不成功的，两年多的时间过去了，理想灯泡还是天方夜谭。

在探索过程中，朗缪尔注意到惠特尼发现的一个现象：高真空灯泡中的残留气体，有消失的迹象。朗缪尔由此产生了一个新的问题：导致灯泡短寿命的是钨丝本身的问题，还是残留气体与灯丝作用的结果？他设想，如果增加气体，也许可以更容易观察到它们的作用。因此，他决定往灯泡内充入不同的气体，看看将出现什么现象。

这样，就在别人仍在为获得更理想的真空而努力时，朗缪尔开始往灯泡内充入各种气体：氢气、氧气、 氮气、一氧化碳、水蒸气等等。很快，他就发现，除了水蒸气，充入灯泡的其他气体都不会导致灯泡变黑。另外，当灯泡内充入少量氢气时，朗缪尔观察到，在高温下，氢气会逐渐消失。经过研究发现，氢气在高温下被分解成氢原子，进而吸附在了灯泡的内壁。这样，朗缪尔对混有水蒸气的灯泡致黑现象就有了初步的认识，水蒸气分子与热钨丝接触产生易蒸发的氧化钨；在高温下，水分子又被分解成氢原子，氢原子吸附在灯泡玻璃壁上；具有高度化学活性的氢原子与氧化钨反应，生成了水蒸气和钨。生成的水蒸气又作用在钨丝上 … … 。这个过程的持续进行，越来越多的钨就沉积在灯泡内壁上。

水蒸气是不是灯泡致黑、寿命缩短的惟一元凶？进一步的实验中，朗缪尔发现，高温下钨丝本身也会不断蒸发(evaporation)， 并导致灯泡致黑。也就是说，即使能获得理想的真空，也无法进一步延长灯泡寿命。

随后，朗缪尔再把一个大气压的氮气引入灯泡，奇迹出现了，灯丝在接近其熔点的温度所维持的时间比在真空下延长了很多，热损耗也大大降低了。原来，氮气的存在，使钨丝蒸发速率减慢，而且蒸发的钨原子，在与氮气分子的碰撞下又回到灯丝上。

充入氮气的白炽灯寿命超过了1000 小时，效率比真空灯提高了30 %-40 %, 其效能达17 .4 流明。 后来，朗缪尔发现充入氩—氮混合气体，制得的白炽灯的效果更佳。这种充气白炽灯, 不仅寿命长，还比真空灯泡发出更多的白光，其在50 瓦以下发光效率虽提高不多, 但在50瓦以上，效率明显提高，甚至能达到真空灯的两倍。1913 年4 月19 日, 朗缪尔获得“白炽灯专利” 。充气白炽灯达到了白炽灯技术的顶峰，沿用数十年无根本性技术变革，直到21 世纪初，白炽灯开始逐渐退出历史舞台。

1928 年，在获珀金奖章(Perkin Medal)演讲中，朗缪尔回忆其研究思路时说，“科学研究有一个很重要的原则：当遇到要避免不利因素阻碍理想结果的出现，而不利因素又是无法避免的情况时，一个好的实验方案是反其道而行，有意识地增加这些不利因素，放大其所产生的不利结果，这样就可以发现，避免这些不利因素是否是有价值的。比如：如果有一个灯泡，里面的真空已经足够理想，但是为了制造出更理想的灯泡，就不要再去设计继续改善真空环境的方案了，而是应该按已掌握的方式尽量去破坏灯泡内的真空环境，那么就可能发现，或者改善真空是不必要的，或者真空还需多大程度地去改善。”

表面化学是20世纪初期逐渐形成的一个新学科，但其所研究的一些现象则是早已熟知的, 如蒸发、凝聚、吸附等。1902 年詹姆斯·杜瓦(James Dewar , 1842 -1923)发现，冷却在液态空气中的活性炭能够滞留大量的氧气和氮气，当时认为这是由活性炭的细裂状态所决定的一种表面作用现象。杜瓦的解 释是：这些气体是被压缩、凝聚在炭表面。此后，很多学者对固体表面吸附气体做过定性描述，但他们只触及到该领域的边缘，不能说明吸附是如何发生的，无法解释吸附的机制。

朗缪尔在研制充气白炽灯过程中开始关注吸附现象。他发现，在充有少量氢气的灯泡中钨丝温度达到1500K 时，氢气会慢慢消失。此后，朗缪尔对这类过程进行了长达15年的实验和理论研究。他认识到，高温下氢气离解成氢原子，这些氢原子吸附在灯泡玻璃壁上，且灯泡壁只能吸附有限量的氢气。进一步，他在液态空气温度下测得被吸附氢的最大值，并由此推断吸附氢的最大量是在灯泡壁形成单原子层。朗缪尔说，“这些实验对于致力于改善灯泡的人来说，几乎都是无用的，甚至是愚蠢的” 。但是，在这些“愚蠢的”实验中，朗缪尔认识到吸附气体限制在单分子厚度，迈出了认识吸附现象的关键一步。

1916 年，朗缪尔发表论文“固体、液体的结构和基本性质”，提出固体表面吸附气体分子的单分子吸附层理论。他认为固体表面原子对气体分子吸引力的本质，是固体表面原子的剩余价力的存在。如果固体表面已吸附了一层气体分子，剩余价力就饱和了，不能再吸附第二层分子。剩余价力的大小决定了固体吸附剂对气体分子吸附的强弱。他指出，吸附作用是气体分子在吸附剂表面上凝聚和蒸发两个相反过程 的平衡。由此，他推导出著名的朗缪尔吸附等温式，不但适用于气固表面上的吸附，而且很好地推广到液固相以及气液、液液流动界面的吸附，成为表面科学中的一个重要理论。

朗缪尔对液面上有机膜做了深入的研究。1916 -1917 年间，他完成了著名的水面油膜实验。随后，他完成了高级脂肪酸、醇、酯等不溶性膜在水面上的定向吸附实验。朗缪尔发现了单分子膜压，其大到能轻易推动浮在水面上的纸带。据此，朗缪尔发明了水平式膜天平。这种膜天平结构简单，使用方便，测量精确，至今仍是研究单分子膜的重要仪器。在分子结构研究中，膜天平也发挥过重要作用。当时尚无其他测量有机分子大小的可靠方法，而膜天平已可相当精确地测量出直链脂肪酸、醇及酯中碳原子间的垂直距离。约十年后，A .缪勒(Mǜller)等科学家才以X 射线方法证实了朗缪尔的结果。借助于膜天平，朗缪尔开 拓了单分子膜性质和分子结构这一新的研究领域。

朗缪尔发展了一系列研究膜的技术，研究了气态膜、液态膜、固态膜以及复杂的蛋白质膜，测定了各种膜分子的取向、分子截面等。这一系列工作对了解润滑油的作用、矿物浮选的机理、泡沫和乳状液的稳定性等有广泛的应用。他研究蛋白质的实验技术被许多生物化学家和生物物理学家所采用。他对活化吸附和表面的催化活性的研究成果，影响了催化的吸附理论。

朗缪尔还发现，有些膜内分子能来回自由运动，就像气体中的分子那样，差别仅在于在这里它们只能做二维方向运动，而在通常气体中，它们能做三维运动。这一发现，在化学研究中开辟了一个崭新的重要研究领域：二维空间中物质状态的研究。朗缪尔关于二维理想气体的概念、方程及其动力学的解释，在物理化学中也有深刻的影响。二维理想气体方程除了在一般单分子膜研究中应用之外，还可来测定高分子 化合物(如蛋白质)的分子量。这一发现不仅提供了关于分子结构的信息，还可以获得分子中和分子间作用力的有价值的信息。

朗缪尔建立了表面化学的基本概念、理论、研究技术和方法, 拓展了表面化学的研究和应用领域, 他研 究蛋白质的实验技术被许多生物化学家和生物物理学家所采用, 人们还认识到, 由于生理意义的众多化学 反应恰恰是表面反应, 表面化学也是理解和驾驭它们的基础。今天, 表面化学促进了许多工业和技术的发 展, 如能源开发(包括石油开采、煤流态化即水煤浆和油煤混合物、太阳能利用)、催化、矿物浮选、胶片生 产、印染、色谱、液膜分离、海水淡化、农药的分散和乳化及其应用、“轻水”泡沫灭火、以及人工降雨等。

因对表面化学所做的发现和研究, 朗缪尔获得1932 年诺贝尔化学奖。瑞典皇家科学院诺贝尔奖化学 奖委员会主席索德鲍姆, 在诺贝尔奖颁奖词中肯定了朗缪尔对表面化学的开创之功, 他说:“当前, 大批科 学家正在这一研究领域勤奋而成功地工作着, 然而, 在已开垦出的土地上耕耘的人不管多么勤勉, 更高的 荣誉属于第一个人, 属于开拓者。”

朗缪尔是一位多产的科学大师，研究工作成果遍布基础科学和应用技术的广泛领域。充气白炽灯的研制是他在通用研究实验室早期取得的重要技术发明，与此相关，在技术上，朗缪尔发明了今天仍广泛使用着的汞蒸气扩散冷凝泵———朗缪尔泵，提出原子氢焊枪原理等；在理论上，他探寻现象背后的科学机理，对吸附现象及其机理做出清晰完整的解释，最终开拓了表面化学领域。朗缪尔在原子结构模型、原子价学说、热离子发射和气体放电的理论、真空中液氮的制冷作用、等离子体物理和技术、蛋白质单分子层研制等许多方面均有建树。诸多专项技术和科学术语以朗缪尔的名字命名，诸如：朗缪尔探针、朗缪尔冷凝扩散泵、朗缪尔吸附等温式、路易斯—朗缪尔价键八重态理论、查德—朗缪尔空间电荷方程式等等。

朗缪尔的成功因素是多方面的。少年时期，他得到父亲的理解，母亲的鼓励，哥哥的引导，这些使他的科学兴趣和天赋得以自由展现，完美结合。求学阶段，他的勤奋与执着又得到了老师们的鼓励。进入研究阶段, 他受益于导师能斯特在研究思想和道路上的指引，领导惠特尼的赏识与信任，以及通用电气研究实验室自由宽松的学术氛围。20世纪初期，技术发明越来越科学化，美国的工业实验室对高学术水平的研发人员的需求也越来越大，学术性的自由研究活动也逐渐在这类实验室展开。朗缪尔是工业企业实验室中这种学者型研究人才的先驱。客观上，现代工业研究实验室精良的技术设备，也为越来越技术化的现代科学研究创造了条件。

朗缪尔的研究活力从青年一直持续到老年，七十多岁时，他还做出惊人之举———实施人工降雨，这让他很快成为美国家喻户晓的科学名人。朗缪尔对自然现象及其本质有强烈的好奇心，他说， “我最大的爱好就是从简单、熟悉的自然现象中去领悟其中的内在机制。”在研究中，对简单实验的执着是朗缪尔的工作特色之一。朗缪尔常常用简单精巧的仪器设备，来研究各种复杂的自然现象。研究表面膜时，他仅用纸片、金属丝、玻璃槽等，便揭示出分子膜压力的存在。朗缪尔还善于抓住现象背后的本质，并持之以恒地深入探索。难怪有学者做出这样的评价，“在朗缪尔之前和以后，大概还没有一个科学家用如此简单的研究设备，却能获得这样多新颖而又重要的成果。”

作为工业企业中工作的科学家，朗缪尔的理论研究成果大多在技术上获得应用，同时，他在技术发明和改进中不忽视基础科学问题。从这一点看，朗缪尔对我国学者的建议———在学习技术的同时致力于基础科学研究———可谓其经验之谈。