Chemie-Nobelpreis 2011

Ein Stoff mit seltsamer Symmetrie

Von Manfred Lindinger
 - 15:37

Wer die kunstvollen Ornamente der Alhambra in der spanischen Stadt Granada genauer betrachtet, wird bemerken, dass die arabischen Baumeister einst ein raffiniertes Wechselspiel zwischen Ordnung und Abwechslung ersonnen haben. Die regelmäßigen Muster weisen zwar eine wiederkehrende Struktur auf. Wollte man das gesamte Muster aber in irgendeine Richtung verschieben, so wäre es mit dem ursprünglichen Muster nicht deckungsgleich. Lange Zeit glaubte man, dass solche „verbotenen Symmetrien“ in der Natur nicht vorkommen, bis 1982 der israelische Physiker Daniel Shechtman mit seinem Elektronenmikroskop den Kristall einer Legierung betrachtete, der diese unmögliche Regelmäßigkeit tatsächlich aufwies. Für seine bahnbrechende Entdeckung der sogenannten Quasikristalle, der man lange keinen Glauben schenken wollte, wird Shechtman der diesjährige Nobelpreis für Chemie zuerkannt.

Ein normaler Kristall zeichnet sich durch die streng periodische Anordnung seiner Atome aus, die in „Einheitszellen“ angeordnet sind. Diese Zellen reihen sich in immer gleicher Gestalt lückenlos in periodischer Folge aneinander und bilden so das Kristallgitter – ein würfelförmiger Kochsalzkristall zum Beispiel ist aus winzigen aneinanderliegenden Elementarwürfelchen aufgebaut. Zumindest war das lange die Lehrmeinung.

Niemand wollte ihm glauben

Das änderte sich, als am Morgen des 8. April 1982 Daniel Shechtman in seinem Labor des National Bureau of Standards in Washington auf der Suche nach neuen Werkstoffen sein Elektronenmikroskop einschaltete, um eine Legierung aus Aluminium und Mangan zu durchleuchten und den Aufbau des Kristallgitters genauer zu untersuchen. Doch was er sah, wollte er selbst zunächst nicht glauben. Denn die Aluminium- und Manganatome waren in der Legierung in einer Weise angeordnet, die es gar nicht geben dürfte. Die durch die Probe geschickten Elektronenstrahlen zeichneten zwar – wie erwartet – scharfe Beugungsbilder, wie sie eigentlich nur wohlgeordnete, kristalline Materialien liefern. Das Beugungsmuster wies jedoch eine fünfzählige Drehsymmetrie auf, wie sie bei Kristallen aus geometrischen Gründen ausgeschlossen ist.
Das einfachste Gebilde mit einer solchen Drehsymmetrie ist ein Fünfeck: Es geht bei einer ganzen Drehung um seinen Mittelpunkt fünfmal identisch in sich selbst über. Ebenso wenig aber wie Fünfecke eine ebene Fläche ohne Lücken bedecken können, lässt sich der Raum mit den entsprechenden fünfzähligen Körpern ohne Zwischenräume füllen.

Shechtman, der in Boulder als Gastwissenschaftler forschte, informierte sofort seine amerikanischen Kollegen, doch er stieß auf große Skepsis. Niemand wollte ihm glauben noch die Entdeckung überprüfen. Man war sich sicher, dass der israelische Kollege einem Artefakt aufgesessen war. Zurück in seinem Labor, konnte Shechtman jedoch keinen Fehler in seinem Experiment entdecken.

Die Hoffnung schon fast aufgegeben

Von den Kollegen immer stärker verhöhnt, kehrte Shechtman, der 1941 in Tel Aviv geboren wurde, frustriert an seine Alma Mater, das Technion in Haifa, zurück. Dort war man aufgeschlossener, aber immer noch zurückhaltend. Doch es gelang ihm, einige israelische Kollegen von der Besonderheit der Aluminium-Mangan-Legierung zu überzeugen. Im November 1984 reichte er bei den renommierten „Physical Review Letters“ einen Artikel ein, der wie eine Bombe unter den Kristallographen einschlug. Die kritischen Stimmen wurden lauter, gleichzeitig begannen sich viele Forscher an die Messung ähnlich seltsamer Beugungsmuster zu erinnern, die sie früher aber nicht weiter beachtet hatten. Doch noch immer war nicht klar, wie die Atome in Shechtmans seltsamen Kristall gepackt waren.

Die Lösung kam von unerwarteter Seite. Man erinnerte sich an die mathematische Beschreibung seltsamer geometrischer Muster, die nach festen Regeln geordnet, aber nicht periodisch aufgebaut waren. Solche Muster setzen sich nicht wie kristalline Gitter aus einer einzigen, wiederholt aneinandergesetzten Elementarzelle zusammen, sondern füllen den Raum nach einer komplizierteren Regel. Dadurch konnte man nicht nur die regelmäßige Struktur der Mosaike in der Alhambra erklären, sondern auch die von Shechtman gemessenen Beugungsmuster. Am Weihnachtsabend 1984 war der Begriff des Quasikristalls geboren. Doch sollte es noch bis 1992 dauern, bis die Internationale Union für Kristallographie die Definition für einen Kristall allgemeiner formulierte.

In den Labors wurden in den vergangenen Jahren zahlreiche Legierungen hergestellt, die Quasikristalle sind. 1999 entdeckte man auch den ersten natürlichen Quasikristall in einem Mineral, das aus dem russischen Koryak-Gebirge stammte. Shechtman hat nach eigenen Angaben „sehr, sehr lange“ auf den Anruf aus Stockholm gewartet und die Hoffnung schon fast aufgegeben.

Die Preisträger der vergangenen zehn Jahre

Die seit 1901 verliehenen Chemie-Nobelpreise gingen vor allem an amerikanische Forscher. Die erste Auszeichnung erhielt der Niederländer Jacobus van’t Hoff für die Entdeckung von Gesetzen der Osmose.

2010: Richard Heck (Amerika) sowie die Japaner Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki, die komplexe Substanzen aus Kohlenstoff herstellten. Sie bauten so unter anderem natürliche Wirkstoffe gegen Krebs nach.

2009: Venkatraman Ramakrishnan (Großbritannien), Thomas Steitz (Amerika) und Ada Jonath (Israel) für die Erforschung der Eiweißfabriken in biologischen Zellen, der Ribosomen.

2008: Die Amerikaner Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Tsien, weil sie ein grünlich leuchtendes Protein einer Qualle zu einem der wichtigsten Werkzeuge der Biologie gemacht haben. Damit lassen sich viele Vorgänge im Körper verfolgen.

2007: Gerhard Ertl (Deutschland) vom Fritz-Haber-Institut in Berlin für die exakte Untersuchung chemischer Reaktionen, wie sie etwa im Autokatalysator oder bei der Herstellung von Dünger ablaufen.

2006: Roger D. Kornberg (Amerika) für Erkenntnisse darüber, wie die Zelle aus dem Bauplan in den Genen fertige Proteine herstellt.

2005: Yves Chauvin (Frankreich), Robert H. Grubbs (Amerika) und Richard R. Schrock (Amerika) für die Entwicklung neuer Reaktionswege in der organischen Chemie, unter anderem zur Produktion von Plastik und Arzneien.

2004: Aaron Ciechanover und Avram Hershko (beide Israel) sowie Irwin Rose (Amerika) für die Entdeckung eines lebenswichtigen Prozesses zum Abbau von Proteinen im Körper.

2003: Peter Agre und Roderick MacKinnon (beide Amerika) für die Erforschung von Ionen- und Wasserkanälen der Körperzellen.

2002: John B. Fenn (Amerika), Koichi Tanaka (Japan) und Kurt Wüthrich (Schweiz) für ihre Methoden zum Vermessen von biologischen Molekülen.

2001: William S. Knowles, Barry Sharpless (beide Amerika) und Ryoji Noyori (Japan) für die Beschreibung neuer Katalysatoren.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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