Вернувшись из-за границы, факультетский стипендиат Н. Д. Зелинский сразу начал обработку экспериментального материала, полученного им во время практических занятий в Лейпциге и Геттингене. Результатом этой работы были 10 статей, напечатанных за 1887–1888 годы в немецком журнале «Берихте» и в журнале Русского физико-химического общества.

В следующем году среди десяти его новых печатных работ была и магистерская диссертация «К вопросу об изомерии в тиофеновом ряду», основой которой послужили исследования, проведенные в лаборатории Виктора Мейера в Геттингене.

В этой работе молодой ученый показал себя вдумчивым исследователем, критически оценивающим полученный им богатый экспериментальный материал, стремящимся найти общую связь, единые закономерности в различных явлениях. Он писал в ней о выделении ароматических соединений в обособленную группу: «…Такое деление искусственно… оно не соответствует общему идейному направлению в химии, цель которого и заключается в том, чтобы найти общую связь, общую нить там, где ее пока еще нет, и таким образом громадный материал углеродистых соединений свести в одно целое, как следствие немногих, но непреложных законов».

Более полувека упорного, напряженного труда потребуется Зелинскому, чтобы разрешить поставленную в этой первой работе задачу, и он разрешит ее — объединит углеводороды в единую «химическую семью».

После сдачи магистерских экзаменов и защиты диссертации Н. Д. Зелинский был зачислен приват-доцентом Новороссийского университета. В том же 1889 году по поручению физико-математического факультета он начал читать курс общей химии. В его первых шагах на научном поприще ему помогли заведующий кафедрой химии А. А. Вериго и неизменный друг П. Г. Меликишвили.

Вскоре Николай Дмитриевич начал работать над докторской диссертацией. Темой ее был тот же вопрос стереоизомерии, объектом изучения — предельные соединения. Окончательная ее формулировка была: «Исследование явлений стереоизомерии в рядах предельных углеродистых соединений».

Явления стереоизомерии предельных соединений считались противниками теории строения Бутлерова доказательством ее непригодности. По мнению же Зелинского, они, напротив, могли явиться доказательным ее подтверждением, но в новом, более углубленном ее понимании, ее развитием в свете стереохимических представлений.

К этому времени Николай Дмитриевич уже сумел сплотить вокруг себя молодых химиков, интересующихся идеями стереохимии, и эти его первые ученики — Безредка, Бычихин, Крапивин, Бухштаб, Фельдман — с увлечением включались в организованную им работу. Николай Дмитриевич разработал новый метод синтеза янтарных, глутаровых, пимелиновых кислот [2] . Почти все они были получены в двух стереоизомерных формах. Кислоты были подвергнуты тщательному сравнительному исследованию и подробно охарактеризованы.

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.