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鲁道夫·A·马库斯讣告:解释电子如何在分子之间跳跃的理论化学家

Nature2026年8月19日 00:00

致谢:Science History Images/Alamy 在1950年代的一个月内,鲁道夫(鲁迪)·马库斯提出了他成名的理论。马库斯电子转移理论预测了电子从一个分子跃迁到另一个分子的速率。这个过程对分子反应、生物过程如呼吸和光合作用,以及包括电池在内的设备的功能至关重要。由于这一见解,他于1992年获得诺贝尔化学奖。马库斯的标志是他能够制定出简单的方程和模型,捕捉复杂分子现象的本质。他将研究描述为“美好的生活方式”,在过了100岁之后仍然以感染力十足的热情继续进行科学研究。他于102岁时去世。 马库斯于1923年7月21日出生在加拿大蒙特利尔,来自立陶宛犹太人后裔。他喜欢上学,母亲是一位有才华的钢琴家和歌手,并鼓励他追求智力活动。父亲是一位热爱运动的商人,鲁迪对运动也有着同样的热情。在当时对学生施加“犹太配额”的麦吉尔大学,他学习化学,并对数学产生了浓厚的兴趣,修习了该学科的高级课程。 马库斯的研究生涯始于实验研究者。获得博士学位后,他基于战时对爆炸物化学行为的研究,加入了位于渥太华的加拿大国家研究委员会实验室。在那里,他不仅打碎了玻璃器皿,还清理了洒出的汞,尽管这些经历让他认识到理论化学问题的品味,他依然自学理论。这让他确信自己的未来在于将数学应用于化学现象。当他收到与北卡罗来纳大学教堂山分校的理论家奥斯卡·赖斯合作的邀请时,马库斯满怀激动地移居美国,开始新的科学生活。这种新生活在其他方面也有所改变:他在搬到那里后不久遇见了未来的妻子劳拉。 马库斯在1950年代开始研究电子转移,地点在纽约布鲁克林理工学院。研究人员正在试图理解是什么决定了涉及分子间电子转移的某些反应的速率。马库斯意识到一个关键点:围绕分子的原子必须重新排列到一种配置中,允许电子在不违反能量守恒的情况下跳跃。他制定了一个简单的公式来预测反应速率(R.A. Marcus J.Chem.Phys. 24, 966–978; 1956)。通过与实验者如诺曼·苏廷的互动,这一公式得到了确认,马库斯通过他们的数据展示了理论和测量转移速率之间的一致性。这一重要性的认可迅速跟来,这项工作获得了广泛赞誉。如今,马库斯方程是模拟电子转移过程的首选工具,这些过程涵盖了能源、医学、制造和环境等技术。然而,他的理论还预测了一个令人震惊的事实:超出某个点,释放更多能量会使反应减慢,违反直觉。1984年,经过格哈德·克洛斯的精心控制实验,证明了这一“倒置区域”的存在。这种行为对光合作用和人工系统中太阳能转化的效率至关重要,慢速反应率保持了电荷分离的时间足够长,以便可以投入使用。 马库斯有广泛的科学兴趣。在他晚年,他在臭氧形成、分子荧光和生物分子机器的理论与实验交界处工作。在一个日益被复杂计算主导的世界中,他始终寻求简单的纸笔理论,以使实验者能够推动他们的发现。后来,他谈及自己的研究风格时说:“你必须愿意挣扎,而我多年来确实有很多挣扎。”

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