Смит, Дэвид (химик)

Дэвид Смит (англ. David Smith; 26 ноября 1935, Сток-он-Трент, Стаффордшир — 15 февраля 2023) — английский физико-химик^[1], внесший фундаментальный вклад в молекулярную науку. Известен как изобретатель методов зонда Ленгмюра с текущим послесвечением (FALP) и трубки с выбранным потоком ионов (SIFT), которые революционизировали изучение газофазных реакций.

Член Лондонского королевского общества (1988) и Института физики (1973). Автор более 460 научных публикаций (индекс Хирша 79).

Дэвид Смит родился в городе Сток-он-Трент в бедной семье. Он был седьмым из девяти детей. Его отец, ветеран Первой мировой войны, получил инвалидность из-за необратимого поражения лёгких горчичным газом (ипритом) и зарабатывал на жизнь, ремонтируя радиоприёмники на дому^[1].

Детство Смита пришлось на годы Второй мировой войны; его ранние воспоминания были связаны с бомбоубежищами. Семья испытывала серьёзные финансовые трудности: родители не могли оплачивать школьное питание.

Для детей семьи Смитов высшее образование было недоступным, однако «Закон об образовании 1944 года (англ.)» открыл новые возможности. Благодаря своим способностям Дэвид смог поступить в гимназию округа Уолстантон (ныне Академия Орм).

После окончания средней школы Смит устроился лаборантом в Британскую ассоциацию керамических исследований в Пенкхалле. Там он освоил навыки работы с глиной и приобщился к строгой дисциплине лабораторных исследований. Он посещал вечерние курсы, которые позволили ему в 1955 г. поступить в Университетский колледж Северного Стаффордшира (позже переименован в Килский университет). Особенностью обучения был «подготовительный год» с широкой программой, объединявшей гуманитарные и точные науки. Смит выбрал физику и химию в качестве основных предметов, а математику и немецкий язык — как дополнительные. В 1959 году он получил степень бакалавра. Позднее Смит стал первым выпускником Килского университета, избранным членом Королевского общества.

Дэвид Смит прошёл путь от лаборанта до всемирно признанного профессора и члена Королевского общества.

• 1950—1955: Лаборант Британской ассоциации керамических исследований, Пенкхалл.
• 1955—1959: Студент Университетского колледжа Северного Стаффордшира (Килский университет), бакалавр по физике и химии.
• 1962 (27 лет): Научный сотрудник кафедры электронной физики Бирмингемского университета под руководством профессора Джеймса Сэйерса (изобретателя магнетрона).
• 1973: Член Института физики (Лондон).
• 1975: Доктор наук (DSc) в области космических исследований, Бирмингемский университет.
• 1980—1984, 1988: Профессор Килского университета.
• 1988: Член Лондонского королевского общества (FRS).
• 1990: Почётный доктор наук (Honorary DSc), Килский университет.
• 1991—1996: Выдающийся профессор Института ионной физики Инсбрукского университета, чтение курсов по атомной и молекулярной физике.
• 1996—2016: Профессор химической физики медицинской школы Килского университета.
• 2016—2023: Консультант Института физической химии им. Я. Гейровского, Прага.

Интерес Смита к физике плазмы сформировался ещё во время работы над докторской диссертацией, в которой он изучал разряды Таунсенда в парах ртути. Им были проведены количественные измерения коэффициентов ионизации и зафиксированы нарушения закона Пашена в газах низкого давления, на примере водорода, дейтерия и паров ртути.

После получения докторской диссертации в возрасте 27 лет^[1], Смит работал в Бирмингемском университете, где активно участвовал в британской космической программе по запускам ракет Skylark, что повлияло на переименование подразделения в кафедру космических исследований.

Смит проявил себя как талантливый педагог, разработав уникальный курс физики плазмы, основанный на идее через призму плазмы изучить все области физики. Параллельно с исследованиями ионосферы он занимался разработкой спутниковых детекторов микрометеоритов, изучая воздействие сверхскоростных микрочастиц^[2].

В Бирмингеме Смит возглавил исследовательскую группу. Его ключевым соратником стал доктор Найджел Адамс, с которым они сотрудничали на протяжении 20 лет, опубликовав более 130 совместных работ. Вместе они разработали два революционных метода экспериментальной физики:

• Метод текущего послесвечения с зондом Ленгмюра (FALP, 1975).
• Трубка с выбранным потоком ионов (SIFT, 1976).

Смит интегрировал подвижный зонд Ленгмюра в систему с потоком плазмы послесвечения. Главной трудностью было создание зонда, способного давать точные данные в низкотемпературной плазме. Успешная реализация позволила измерять плотность электронов и ионов вдоль метровой оси потока, определяя коэффициенты рекомбинации^[3] и прилипания электронов^[4]. Эти данные стали критически важными для моделирования процессов в D-области ионосферы.

Метод SIFT позволил преодолеть ограничения традиционного метода текущего послесвечения^[5]. В SIFT ионы генерируются отдельно, селектируются по отношению массы к заряду (m/z) с помощью квадрупольного фильтра и инжектируются в поток инертного газа-носителя (гелия). Это исключало влияние исходного газа на реакцию. SIFT позволил изучить тысячи ионно-молекулярных реакций, в том числе с участием сложных ионов (CH_n⁺, NH_n⁺), которые дали понимание химии межзвёздных облаков.^[6]

Методы SIFT и FALP получили широкое распространение в мировых лабораториях. Смит лично путешествовал по миру, помогая коллегам устанавливать и настраивать оборудование, часто собранное исследователями самостоятельно. Это способствовало укреплению связей с ведущими научными центрами, среди которых:

• Аберистуитский университет (Норман Твидди, Кит Биркиншоу);
• Лаборатория реактивного движения ВВС США (Том Миллер, Майкл Хенчман);
• Инсбрукский университет (Вернер Линдингер);
• Университет Колорадо в Боулдере (Чак де Пюи, Вероника Бирбаум);
• Кентерберийский университет в Новой Зеландии (Мюррей Макэван);
• Карлов университет в Праге.

К середине 1980-х годов Смит получил мировое признание: в 1984 году он стал профессором, а в 1988 году был избран в Лондонское королевское общество.

На основе наблюдений Смита о химической инертности иона гидроксония (H₃O⁺) в воздухе впоследствии вместе с коллегами и компанией Europa Scientific были разработаны методы масс-спектрометрии SIFT-MS (англ.) и PTR-MS. А уже в 1998 году был создан первый переносной прибор SIFT-MS^[7].

По приглашению Вернера Линдингера Смита в 1991 году в Инсбрукский университет его научные интересы начали смещаться от астрофизики к аналитической химии и медицине. Он занялся разработкой масс-спектрометров для анализа следовых газов (IMR-MS), изначально для изучения автомобильных выбросов, а затем — для анализа летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе человека. В Инсбруке под его руководством начал работать Патрик Шпанель, ставший его многолетним соратником.

Спустя 40 лет после выпуска Смит вернулся в Килский университет в качестве профессора химической физики медицинской школы, перевезя из Австрии огромный объём оборудования (включая насос весом более тонны). Основным направлением его работы стал анализ выдыхаемого воздуха для клинической диагностики^[8].

Смит был сторонником использования прямых измерений биомаркеров в реальном времени, критикуя чрезмерное увлечение статистической обработкой данных. Ключевые достижения в этой области:

• Обнаружение цианида водорода (HCN) как биомаркера инфекции Pseudomonas aeruginosa у пациентов с муковисцидозом^[8][9].
• Мониторинг уровня аммиака у пациентов с почечной недостаточностью (показано снижение уровня во время диализа).
• Исследования биомаркеров рака мочевого пузыря, простаты и пищевода.
• Разработка метода определения общего содержания воды в организме с помощью масс-спектрометрии с проточным послесвечением (FA-MS).

Дэвид Смит стал одним из основателей Международной ассоциации исследований дыхания (IABR) и журнала Journal of Breath Research.^[10]

После ухода из Кильского университета в 2016 году Смит продолжил активную научную деятельность как консультант Института физической химии им. Я. Гейровского в Праге. Он регулярно посещал Чехию, участвуя в исследованиях заболеваний ЖКТ (болезнь Крона, язвенный колит) с использованием новейших методов ионизации.^[11]

Дэвид Смит скончался 15 февраля 2023 года в возрасте 87 лет. Он умер у себя дома, по естественным причинам.

Дэвид Смит отличался редким для руководителя такого уровня сочетанием глубоких теоретических знаний и прикладного инженерного мастерства. Он был талантливым стеклодувом-самоучкой и часто своими руками изготавливал сложные экспериментальные установки, а в ранние годы, до появления доступных компьютеров, самостоятельно собирал электронные схемы для обработки сигналов.

Показателен случай, произошедший с одним из его первых аспирантов Иэном Пламом. Для сложного эксперимента по измерению рекомбинации ионов O₄⁺ Смит изготовил уникальный стеклянный аппарат. Однажды ночью в ходе работы Плам случайно разбил установку. Ожидая сурового выговора, аспирант сообщил об инциденте научному руководителю. Однако на следующее утро Смит без единого упрёка взял стеклодувную горелку и восстановил прибор, позволив немедленно продолжить исследования.

Смит воспитал множество учеников, многие из которых стали видными учёными. Его стиль руководства характеризовался высокой требовательностью в сочетании с альтруизмом и дружеской поддержкой. Аспирант Томас Чиппендейл вспоминал Смита как человека, который «искренне интересовался людьми, часто использовал юмор» и был не просто учителем, но и другом, заставлявшим своих подопечных расти профессионально.^[1]

Среди учеников и коллег, работавших под непосредственным руководством Дэвида Смита на разных этапах его карьеры, выделяются:

• Иэн Плам (Ian Plumb) — один из первых аспирантов, впоследствии успешный учёный в Австралии.
• Грэм Дин (Graham Dean) и Крис Гудолл (Chris Goodall) — аспиранты бирмингемского периода.
• Эрих Алге (Erich Alge) — занимался ионно-молекулярными реакциями в SIFT.
• Майкл Чёрч (Michael Church) — исследовал ион-ионную рекомбинацию методом FALP.
• Кевин Джайлз (Kevin Giles) — изучал химию межзвёздных ионов.
• Крис А. Мэйхью (Chris A. Mayhew) — специализировался на реакциях атомарных катионов, впоследствии помогал перевозить и монтировать оборудование Смита в Инсбруке.
• Патрик Шпанель (Patrik Španěl) — начал работать со Смитом в Инсбруке будучи докторантом, стал его ближайшим соратником и сооснователем компании по производству SIFT-MS.
• Томас Чиппендейл (Thomas Chippendale) — аспирант периода работы в Килском университете.

Многие из его учеников и коллег, включая Нормана Твидди, Кита Биркиншоу, Чака де Пюи и других, стали близкими друзьями Дэвида, часто посещали его дом и высоко ценили его как наставника.

Дэвид Смит никогда не был женат и не имел детей, свою жизнь он полностью посвящал науке. Друзья и коллеги отмечали его невероятную работоспособность: он часто писал статьи от руки по воскресеньям, сидя перед телевизором с включёнными спортивными трансляциями.

Смит вёл комфортный холостяцкий образ жизни. Он любил готовить, в особенности воскресный ростбиф, увлекался выращиванием овощей в собственной теплице и ценил индийскую кухню.^[1]

Среди его увлечений были игра на органе Hammond, прослушивание классической музыки и джаза. Он был преданным болельщиком футбольного клуба «Сток Сити». Смит отличался феноменальной памятью, помня наизусть коэффициенты скоростей сотен реакций. Его жизненной позицией, характеризующей его, была фраза: «Наука — это наблюдение и вывод». Кроме науки и спорта, Смит глубоко интересовался историей и географией.

Дэвид Смит получил широкое международное признание за свой вклад в науку:

• 1973 — Член Института физики (Лондон).
• 1975 — Доктор наук (DSc) в области космических исследований, Бирмингемский университет.
• 1988 — Избран членом Лондонского королевского общества (FRS).
• 1990 — Почётный доктор наук (Honorary DSc), Килский университет.
• 1992 — Премия Эрвина Шрёдингера (SASP, Австрия).
• 1995 — Медаль Масарикова университета (Брно, Чехия).
• 1995 — Золотая медаль факультета математики и физики Университет Коменского (Братислава, Словакия).
• 2022 — Медаль Ярослава Гейровского (Чешская академия наук).

• Španěl P., Risby T. H. Supplementary material from "DAVID SMITH. 26 November 1935 — 15 February 2023" (англ.) // The Royal Society : collection. — 2024. — doi:10.6084/m9.figshare.c.7393960.v1.
• Adams N. G., Khan H. A., Smith D. Flux and composition of micrometeoroids in diameter range 1–10 µm (англ.) // Nature : journal. — 1974. — Vol. 252. — P. 101—106. — doi:10.1038/252101a0.
• Adams N. G., Smith D. The selected ion flow tube (SIFT): a technique for studying ion–neutral reactions (англ.) // Int. J. Mass Spectrom. : journal. — 1976. — Vol. 21. — P. 349—359. — doi:10.1016/0020-7381(76)80133-7.
• Adams N. G., Miller T. M., Smith D. A laboratory study of reactions of N⁺, N₂⁺, N₃⁺, N₄⁺, O⁺, O₂⁺, and NO⁺ ions with several molecules at 300 K (англ.) // J. Chem. Phys. : journal. — 1978. — Vol. 69. — P. 308—318. — doi:10.1063/1.436354.
• Adams N. G., Alge E., Smith D. Measurements of dissociative recombination coefficients of H₃⁺, HCO⁺, N₂H⁺, and CH₅⁺ at 95 K and 300 K using the FALP apparatus (англ.) // J. Chem. Phys. : journal. — 1984. — Vol. 81. — P. 1778—1784. — doi:10.1063/1.447849.
• Adams N. G., Alge E., Smith D. Attachment coefficients for the reactions of electrons with CCl₄, CCl₃F, CCl₂F₂, CHCl₃, Cl₂ and SF₆ determined between 200 K and 600 K using the FALP technique (англ.) // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. : journal. — 1984. — Vol. 17. — P. 461—472. — doi:10.1088/0022-3700/17/3/015.
• Amann A., Smith D. Breath analysis for clinical diagnosis and therapeutic monitoring (англ.). — Singapore: World Scientific, 2005. — doi:10.1142/5796.
• Španěl P., Smith D. Selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS) for on-line trace gas analysis (англ.) // Mass Spectrom. Rev. : journal. — 2005. — Vol. 24. — P. 661—700. — doi:10.1002/mas.20033.
• Španěl P., Dryahina K., Smith D. Microwave plasma ion sources for selected ion flow tube mass spectrometry: Optimizing their performance and detection limits for trace gas analysis (англ.) // Int. J. Mass Spectrom. : journal. — 2007. — Vol. 267. — P. 117—124. — doi:10.1016/j.ijms.2007.02.023.
• Amann A., Smith D. Volatile biomarkers: non-invasive diagnosis in physiology and medicine (англ.). — Boston, MA: Elsevier, 2013. — doi:10.1016/C2012-0-01274-4.
• Španěl P., Dryahina K., Omezzine Gnioua M., Smith D. Different reactivities of H₃O⁺(H₂O)_n with unsaturated and saturated aldehydes: ligand-switching reactions govern the quantitative analytical sensitivity of SESI-MS (англ.) // Rapid Commun. Mass Spectrom. : journal. — 2023. — Vol. 37. — P. e9496. — doi:10.1002/rcm.9496.