В своей работе молодой ученый все больше осознавал необходимость привлечения физических методов для изучения химических явлений. «Химия не должна ограничиваться только описанием свойств различных химических соединений. и способов их получения, — думал Николай Дмитриевич, — она должна ставить также своей задачей отыскание законов, управляющих химическими взаимодействиями. Для этого химия должна теснее сблизиться с физикой и усвоить физические методы исследования и наблюдения явлений». «Химик без знания физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом», — писал когда-то Ломоносов. Эти слова Зелинский часто повторял своим ученикам.
Николай Дмитриевич решил отправиться в Лейпциг к В. Оствальду, в первую в мире лабораторию физической химии, чтобы ознакомиться с новыми физическими методами.
Физическая химия была в ту пору еще очень молодой наукой. Колыбелью ее считали организованный в 1887 году институт под руководством В. Оствальда. В. Нернст, один из основоположников физической химии, назвал ее дисциплиной, взявшей на себя дипломатическое посредничество между физикой и химией. Но значение физической химии гораздо большее. Эта наука впервые раскрыла взаимосвязь между физико-химическими свойствами веществ и их составом. Пользуясь методами физики, она помогла раскрыть законы управления физико-химическими явлениями и глубоко проникнуть в природу вещества и во внутренние процессы его превращения. Физическая химия, введя в химию математику, содействовала превращению ее из науки описательной в точную.
Н. Д. Зелинский раньше других понял и оценил те громадные возможности, то оружие, которое давала физическая химия химикам. Понял и стал горячим поборником новой науки. Он неоднократно подчеркивал в своих высказываниях решающее значение метода исследования. «Вы знаете, что в наших науках значит метод», — писал он много лет спустя Вернадскому. С первых своих шагов в химии он стремился привлечь новые методы для развития любимой науки и не мог пройти мимо тех возможностей, которые рождались на стыке химии с физикой.
В Лейпциге он нашел полное, понимание и поддержку своих взглядов. «Когда в устоявшуюся, текущую уже по ровному простору область науки проникают новые методы исследования, новые идеи из соседней или отдаленной области науки, она как будто получает новую кровь», — говорил Оствальд.
В короткий срок Николай Дмитриевич освоил новый физический метод, и диссертация его обогатилась еще одной главой — исследованием электропроводности стереоизомерных кислот.
Вся диссертация состояла из 8 глав, изложенных на 190 страницах. Эта работа была ценным вкладом в теорию строения Бутлерова, ее развитием и дополнением. Анализируя результаты своих исследований, Николай Дмитриевич сделал ряд широких обобщений, имеющих принципиальное значение. В противовес взглядам Кольбе и некоторых других химиков старой школы, высказавших тезисы о непознаваемости сущности химических явлений, Зелинский в своей работе последовательно проводил материалистические воззрения на природу органической молекулы и на механизм ее превращения. Он высказывал мысль о неразрывности материи и движения.
Мысль о необходимости глубокого взаимопроникновения наук Николай Дмитриевич распространил и на другую область — биологию. Изучая работы Луи Пастера, Зелинский заинтересовался методом разделения оптически деятельных соединений путем избирательного поглощения микроорганизмами одного из оптических антиподов. В своей докторской диссертации он сделал глубоко идущие выводы о взаимосвязи явлений природы, доказывая, что соотношение между жизнедеятельностью микроорганизмов и химическими изменениями некоторых соединений указывает путь к познанию новых, неведомых еще законов, связывающих живую клетку с вечно движущейся молекулой вещества.
Развивая мысли о взаимосвязи состава, строения, формы, взаимного расположения в пространстве атомов и оптической их деятельности, он указывал, что изучение этой взаимосвязи послужит к развитию новой области — химической механики. В этих его мыслях проявилась уже способность Зелинского к великому провидению будущего, он показал в них пути дальнейшего развития химии, свидетелями которого мы теперь являемся.
Мысли Николая Дмитриевича о необходимости преодоления статических представлений теории строения, динамического ее развития показывали полную зрелость его как ученого и определяли сущность его научного мировоззрения.
В своей дальнейшей научной работе, в особенности в изучении контактно-каталитических явлений, Н. Д. Зелинский сумел развить именно динамическую сторону бутлеровской теории строения.
В 1891 году Николай Дмитриевич блестяще защитил свою докторскую диссертацию.
После ухода из университета Ильи Ильича Мечникова и даже после его отъезда в Париж «партия» Мечникова продолжала существовать. Во всяком случае, в кругах одесской реакционной интеллигенции не переставали так называть ученых прогрессивного направления. Если верить их мнению — а в этом им следует верить, — эта «партия» даже численно разрослась, вышла из стен университета, пустила свои ответвления в городе и приобрела еще большую популярность. Говорили, что последователи Мечникова имеют свой штаб и даже два. Называли их адреса. Первый помещался по Гуляевской улице, в доме № 4, в квартире доктора Гамалеи, второй — на даче А. О. Ковалевского, семья которого жила там круглый год.
В 1886 году молодой талантливый врач Николай Федорович Гамалея вернулся из Франции, где он изучал методы прививки от бешенства. Врачи Гамалея, Бардах и бактериолог Мечников организовали первую в России и вторую в мире бактериологическую станцию. Первая станция существовала в Париже, созданная знаменитым ученым Луи Пастером. Основной работой одесской станции были прививки людям, укушенным бешеными животными, но проводилась и большая исследовательская работа. Бактериологическая станция обслуживала широкую периферию. Сюда обращались даже из-за границы — Румынии и Турции.
Н. Д. Зелинский интересовался работой бактериологической станции. Он и его ученик Безредка часто бывали на Гуляевской улице.
В 1888 году Н. Д. Зелинский вторично прощален с Мечниковым. Первые проводы были в студенческие дни, когда любимый профессор уходил из университета. Теперь он уезжал из России — надолго, может быть навсегда. Перед Мечниковым встал вопрос: приспособиться к тупому царскому режиму или свободно заниматься в чужих краях любимой наукой? Измученный организованной против него травлей, Мечников решил уехать в Париж, к Пастеру. К Мечникову в Париж после окончания университета уехал ученик Зелинского А. М. Безредка.
