R. Robert Brattain (21 de mayo de 1911 - 17 de noviembre de 2002) fue un físico estadounidense de Shell Development Company . Estuvo involucrado en varios proyectos secretos durante la Segunda Guerra Mundial . Es reconocido como uno de los principales espectroscopistas de infrarrojos de Estados Unidos por su trabajo en el diseño de varios modelos de espectrofotómetro y por utilizar el espectrofotómetro de infrarrojos para determinar la estructura β-lactámica de la penicilina . Su trabajo de instrumentación fue fundamental para el posterior estudio y comprensión de las estructuras en química orgánica . [1]
R. Robert Brattain nació el 21 de mayo de 1911, hijo de Ross R. Brattain y Ottilie Houser Brattain. [2] [3] Ambos padres eran graduados de Whitman College ; [4] : 71 Ottilie Houser Brattain era una matemática talentosa. [5] Durante gran parte de la infancia de Robert Brattain, la familia vivió en un rancho ganadero cerca de Tonasket, Washington . [4] : 71
Brattain asistió al Whitman College en Walla Walla, Washington , siguiendo a su hermano mayor, Walter Houser Brattain . Luego completó una maestría en física en la Universidad de Washington en 1933. Luego asistió a la Universidad de Princeton , [1] [6] estudiando física. Allí conoció a John Bardeen , un compañero frecuente de bridge y bolos. Robert Brattain presentó a John Barden a su hermano, Walter Brattain, con quien Bardeen ganaría el Premio Nobel. [5] [6]
Inicialmente interesado en la física matemática, Robert Brattain pronto se interesó en la física experimental. Después de que su asesor Edward Condon le sugiriera que ayudara a R. Bowling Barnes, un experto en espectrometría infrarroja, Brattain quedó fascinado con la investigación y el diseño de instrumentos infrarrojos. [7] Brattain, Barnes y otros en el laboratorio construyeron un espectrofotómetro infrarrojo con calidad de investigación, utilizando un prisma de sal gema, una tira de platino como fuente de radiación infrarroja, una termopila para medir la radiación y dos galvanómetros para mostrar los resultados. [8] Utilizaron el instrumento para comenzar a estudiar la estructura molecular de las moléculas orgánicas. Después de que Barnes dejó Princeton por American Cyanamid , dirigió fondos a Brattain y otros para estudiar los espectros de absorción infrarroja de compuestos orgánicos como el benceno, el tolueno y la naftaleno. [9]
Debido a las presiones financieras de la Gran Depresión , Robert Brattain abandonó Princeton en 1938 sin completar sus estudios. [9] Fue contratado por Otto Beeck y se unió a Shell Development Company en Emeryville, California . [7] Allí comenzó a utilizar la espectroscopía infrarroja para estudiar las estructuras moleculares del petróleo y productos relacionados. [9] Fue reconocido como uno de los primeros líderes en el área. [10] El trabajo de Brattain en C
4mezclas de gases fue "una de las primeras aplicaciones [de la espectrofotometría] de gran importancia para la industria petrolera". [11]
Una de las áreas que estudió Brattain fueron los isómeros del butano , que se utilizaban para fabricar combustible de aviación de alto octanaje. Su objetivo era utilizar la espectrometría infrarroja como herramienta analítica para el control de procesos químicos industriales, midiendo de manera confiable los isómeros en mezclas de petróleo. [9]
Brattain nuevamente comenzó a construir un espectrofotómetro infrarrojo con calidad de investigación, esta vez incorporando las ideas de E. Bright Wilson y Harold Gershinowitz de la Universidad de Harvard . Al incorporar dos prismas, uno de sal gema y otro de bromuro de potasio, fue posible examinar una gama mayor de longitudes de onda infrarrojas. En 1939, Brattain pudo utilizar su "IRS #1" para distinguir entre los isómeros isobutano y n-butano midiendo una única longitud de onda de radiación infrarroja. [9] Mientras continuaba estudiando butanos con el IRS #1, Brattain diseñó un modelo más simple, el "IRS #2", para su uso en el control de procesos en las refinerías de Shell. Presentó sus diseños para el IRS #1 (investigación) y el IRS #2 (control de procesos) a la Sociedad Estadounidense de Física en Pasadena, California, en junio de 1941. [9]
Después de un mayor desarrollo, Brattain propuso un nuevo diseño para el IRS #4 y se acercó a Arnold Orville Beckman en National Technical Laboratories (más tarde Beckman Instruments) para hacerlo. Al asociarse con John U. White de Standard Oil , Brattain pudo armar un pedido de 10 instrumentos, suficiente para convencer a Beckman de comenzar la producción. El ingeniero jefe de Beckman, Howard Cary, sugirió una simplificación del diseño, que Brattain aprobó como Beckman IR-1. [9] El IR-1 utilizó un montaje de prisma Littrow que presentaba un único prisma de sal gema con una parte posterior reflejada y un galvanómetro analógico para presentar los resultados. Los usuarios podían seleccionar rápidamente entre 18 longitudes de onda específicas. Beckman Instruments envió el primer espectrofotómetro 1R-1 a Shell el 18 de septiembre de 1942. [12]
El examen de los isómeros realizado por Brattain resultó doblemente importante para el esfuerzo bélico. Además de los isómeros de hidrocarburos C4 isobutano y n-butano (importantes en los combustibles de aviación), Brattain pudo identificar un conjunto de cuatro butenos , 1-buteno , cis-2-buteno , trans-2-buteno e isobuteno . Los isómeros de butileno fueron fundamentales para el desarrollo del caucho sintético, otro material esencial para el esfuerzo bélico. [9] En comparación con los métodos de destilación anteriores, la espectrofotometría infrarroja ofreció un enorme ahorro de tiempo, reduciendo el tiempo de prueba de hasta 15 o 20 horas a 15 minutos. [9]
Durante la Segunda Guerra Mundial , América del Norte se enfrentó a una escasez de caucho natural , porque la guerra cortó el suministro de los países productores de caucho. La Oficina de Reserva de Caucho del gobierno de Estados Unidos reconoció la necesidad de desarrollar caucho sintético . [13] El ex profesor de Brattain, R. Bowling Barnes, ahora en Cyanamid, promovió el uso de espectrofotómetros infrarrojos en el programa de caucho sintético de Estados Unidos. [13] En 1942, la Oficina de Reserva de Caucho organizó reuniones secretas en Detroit entre Robert Brattain de Shell Development Company, Arnold O. Beckman de Beckman Instruments y R. Bowling Barnes de American Cyanamid , en busca de una fuente de instrumentos confiables para espectroscopia infrarroja. y el análisis de polímeros de butadieno. [14] : 162–164 Al optar por adoptar el diseño existente de Bob Brattain para un espectrofotómetro infrarrojo de haz único, encargaron a Beckman Instruments la producción en masa de instrumentos estandarizados para que los científicos los utilizaran como parte del esfuerzo de guerra del caucho sintético del gobierno de EE. UU. [1] : 16–18, 62 [13] [15]
La producción de los instrumentos recibió una calificación de prioridad AAA, lo que aseguró que tuvieran acceso a recursos limitados en tiempos de guerra. Sin embargo, los instrumentos sólo podían venderse a clientes con certificación AAA, y la investigación, el diseño de los instrumentos y los instrumentos se mantuvieron clasificados hasta después de la guerra. [15] A nadie se le permitió publicar o discutir nada relacionado con las nuevas máquinas. [12] [13] Con pedidos tanto del gobierno como de la industria, los Laboratorios Técnicos Nacionales produjeron y enviaron 77 Beckman IR-1 en 1945. Fueron una contribución fundamental al esfuerzo de guerra. [9] Esta colaboración apoyada por el gobierno condujo a un rápido desarrollo y transmisión de la tecnología dentro de una red de empresas en tiempos de guerra, pero las restricciones de secreto limitaron el grado en que el trabajo de Brattain-Beckman se hizo público. [16] Empresas como Perkin-Elmer , cuyo trabajo no estaba tan restringido, pudieron publicar sobre su trabajo en espectroscopia infrarroja antes de que Brattain y Beckman pudieran hacerlo. [1] : 16 [15] Después de la guerra, estos instrumentos fueron ampliamente adoptados por los químicos porque eran fáciles de usar, confiables y tenían un precio razonable. [15]
La penicilina , un potente antibiótico , fue descubierta en 1928 por el científico escocés Sir Alexander Fleming . Durante la Segunda Guerra Mundial, el medicamento tuvo demanda para tratar tanto heridas como enfermedades potencialmente mortales como meningitis , neumonía y sífilis . La producción de penicilina aumentó de 400 millones de unidades a principios de 1943 a más de 650 mil millones de unidades por mes al final de la guerra. Había una tremenda presión para encontrar formas de aumentar la producción. Los investigadores esperaban que al comprender la estructura química de la penicilina pudieran encontrar una forma de sintetizarla. [17] Se plantearon la hipótesis de varias estructuras posibles, incluida una estructura de oxazalona con 2 anillos de 5 miembros unidos, [18] y una estructura de β-lactámica que involucra un anillo de 4 miembros, algo que no se había observado de forma natural. [19]
Se desarrolló un proyecto de investigación transatlántico para determinar la estructura de la penicilina. Incluía investigadores de espectroscopia infrarroja en Cambridge ( GBBM Sutherland ), en Oxford ( Harold Warris Thompson ), y universidades y empresas de Estados Unidos (el Departamento de Física de la Universidad de Michigan, Shell Development Company, Merck & Co. , Pfizer , y el Instituto Russell Sage de la Facultad de Medicina de la Universidad de Cornell). [18] [19] [20] La Oficina de Investigación y Desarrollo Científico de EE. UU. se acercó a Shell durante el verano de 1944, y Robert Brattain reunió un equipo para estudiar el problema utilizando espectrofotometría infrarroja. Otro equipo de Shell utilizó técnicas de síntesis química. [7] En noviembre de 1944, ambos equipos coincidieron en que la penicilina tenía una estructura β-lactámica. Sólo esa estructura explica la presencia de bandas fuertes en las frecuencias de 1785, 1740, 1667 y 1538 cm-1 en los resultados de la espectroscopia. [19] Brattain y sus compañeros de trabajo publicaron un informe al gobierno describiendo sus resultados en 1944. [7] Un informe completo del trabajo internacional de espectroscopía infrarroja apareció en 1949. [21]
Trabajando de forma independiente en Gran Bretaña, Dorothy Crowfoot y Barbara Low en Oxford, Inglaterra, utilizaron la difracción de rayos X para estudiar la estructura de la penicilina, al igual que los investigadores de Imperial Chemical Industries . Casi al mismo tiempo que el grupo de Brattain, el grupo de cristalografía de rayos X de Dorothy Crowfoot encontró resultados que apoyaban la conclusión de que la penicilina tenía una estructura β-lactámica. [7] Su investigación se informó a principios de 1945. Por esta y otras investigaciones que utilizaron difracción de rayos X, Dorothy Crowfoot eventualmente ganaría un Premio Nobel . [9]
Después de la guerra, se pidió a Brattain que llevara a cabo una peligrosa investigación para estudiar la estructura de los gases nerviosos alemanes que se habían utilizado en la Segunda Guerra Mundial. [7]
Después de jubilarse, Robert Brattain vivió en Monterey, California . [22]
Las compañías petroleras también conocían las aplicaciones analíticas de la espectroscopia infrarroja antes de 1940, en particular los Laboratorios de Investigación Shell Development Co. en Emeryville, California, bajo la dirección de RR Brattain y RS Rasmussen.