Chemie-Nobelpreisträger Shechtman: Hübsche Muster für Materialien nach Maß

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"Eine solche Struktur kann es nicht geben", soll der israelische Chemiker Daniel Shechtman gesagt haben, als er erstmals einen Quasikristall sah. Jetzt hat er den Nobelpreis bekommen, denn die von ihm entdeckten Muster revolutionieren die Materialforschung - und könnten von großem praktischen Nutzen sein.

Quasikristalle: Unordnung im Gitter Fotos
AFP/ US Department of Energy´s Ames Laboratory

Sie sind schön, ihr Anblick fasziniert - und weckt Kindheitserinnerungen, als man sich stundenlang in den Farbspielen eines Kaleidoskops verlieren konnte: Die Muster von Quasikristallen üben eine magische Anziehung auf ihren Betrachter aus. Was der sieht, ist Unordnung in der Ordnung. Denn die Atome in Quasikristallen sind so strukturiert, dass sich ihre Anordnung niemals wiederholt. Wer den Blick über diese verrückten Muster schweifen lässt, erkennt in ihnen zwar eine gewisse Symmetrie. Und doch stimmt etwas nicht.

Lange Zeit glaubten Mathematiker, dass es diese Muster eigentlich nicht geben kann. Und auch Chemiker dachten, Kristalle mit einer solchen Gitterstruktur werden in der Natur nicht zu finden sein. 1982 aber sah der Chemiker Daniel Shechtman sie mit eigenen Augen unter einem Elektronenmikroskop: Die Atomstruktur in den Proben aus Aluminium und Mangan, die er untersuchen wollte, war vollkommen anders als die eines gewöhnlichen Kristalls. Für diese Entdeckung ist der in Tel-Aviv gebürtige Wissenschaftler jetzt mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt worden.

Damit geht der Preis in diesem Jahr nach langer Zeit an einen einzelnen Forscher. Zuletzt war das 2007 der Fall, als der Deutsche Gerhard Ertl für seine Studie von chemischen Verfahren auf festen Oberflächen ausgezeichnet wurde. Seither haben sich den Nobelpreis für Chemie mehrere Forscher teilen müssen, zuletzt ging er an zwei Japaner und einen US-Amerikaner.

"Diese Struktur kann es nicht geben"

Shechtman darf sich also alleine über die höchste Auszeichnung der Wissenschaften freuen, die mit 10 Millionen schwedischen Kronen dotiert ist. Dabei glaubte er an jenem Morgen des 8. April 1982 zunächst nicht, was seine Augen dort unter dem Mikroskop sahen: "Eine solche Struktur kann es nicht geben", soll er zu sich selbst gesagt haben.

Für Kristallographen gab es bis zu jenem Tag eine klare Regel: In Mineralen sind die Atome oder Moleküle periodisch angeordnet. Vorstellen kann man sich das so: Schneidet man gedanklich ein Stück aus dem Kristallgitter heraus und verschiebt es parallel, dann kann man es mit einem anderen Stück Gitter anderswo im Kristall zur Deckung bringen.

Genau diese Regel aber brach Shechtmans Kristall - ein Schock für Kristallographen und Chemiker. Dreht man einen gewöhnlichen Kristall um einen bestimmten Winkel, so erhält man immer wieder das gleiche Muster. Von einer zweifachen Symmetrie spricht man, wenn sich das gleiche Muster bei jeder halben Drehung ergibt, von einer dreifachen, wenn das bei jeder Drittel-Drehung der Fall ist. An dieser Stelle kommt die Mathematik ins Spiel, die vereinfacht gesprochen besagt, dass es einen Kristall mit fünfzähliger Drehsymmetrie nicht geben kann. Schon die alten Griechen wussten das: Fünfeckige Fliesen lassen sich nicht zu einem Fußboden zusammenlegen.

Zunächst von Kollegen belächelt, wurden Shechtmans Beobachtungen schließlich doch von der Wissenschaftsgemeinde akzeptiert, als neu entdeckte Klasse von Materialien. Sie wurden fortan Quasikristalle genannt. Seither haben Forscher immer wieder solche Quasikristalle gefunden, inzwischen sind über 100 dieser außergewöhnlichen Strukturen bekannt. In der Natur hat man aber erst 2009 wieder ein Beispiel für einen Quasikristall entdeckt: im russischen Koryak-Gebirge. Bei dem Fund handelt es sich um einige Mikrometer große Kristallkörner aus Aluminium, Kupfer und Eisen. Alle anderen Quasikristalle sind bisher nur künstlich im Labor erzeugt worden.

Quasikristalle eröffnen neue Forschungsgebiete

"Quasikristalle haben nicht nur unser Weltbild von der Anordnung von Materie verändert", sagt Clemens Bechinger im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Vielmehr haben sie uns ein vollständig neues Forschungsgebiet eröffnet." Deshalb ist der Festkörperphysiker der Meinung, dass Shechtmans Entdeckung den Nobelpreis verdient hat. "Ich finde, es hat den Richtigen getroffen", sagt Bechinger, der das 2. Physikalische Institut für Physik an der Universität Stuttgart leitet.

"Die Anordnung der Atome hat einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Materie", erklärt Bechinger. Das wird schnell deutlich, wenn man an das Beispiel von reinem Kohlenstoff denkt. Je nachdem, welche Gitterstruktur im Kristall vorliegt, macht Kohlenstoff aus dem Bleistift schnell die Hände schmutzig - oder aber er ziert als Diamant den Ringfinger.

Auch Quasikristalle haben Eigenschaften, die für Materialforscher von großem Interesse sind. Das historisch erste Beispiel einer Anwendung für einen Quasikristall, erzählt Bechinger, sei die Anti-Haft-Beschichtung einer Bratpfanne, die aus einem quasikristallinen Stoff besteht. Eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit oder eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit, ein kleiner Reibungswiderstand sowie deren katalytische Eigenschaften geben Quasikristallen ein breites Anwendungspotential in der Zukunft.

Materialforscher wie Bechinger arbeiten daran, mit Hilfe von Quasikristallen Materialien für technische Anwendungen maßzuschneidern. So versuchen Forscher beispielsweise, anderen Stoffen wie etwa Blei quasikristalline Eigenschaften zu verpassen. Das erreicht man, indem man über eine quasikristalline Oberfläche eine Monoschicht Blei abscheidet. Diese nimmt dann auch eine quasikristalline Struktur an - und das Blei verändert seine Eigenschaften.

Dass in Quasikristallen ein großes Anwendungspotential steckt, dürfte mit ein Grund dafür gewesen sein, warum das Nobelpreiskomitee sich für die Auszeichnung von Daniel Shechtman entschieden hat. Bechinger findet aber noch einen weiteren Aspekt sehr reizvoll: "Quasikristalle sind nicht nur für die Chemie interessant. Sie faszinieren auch Physiker und Mathematiker gleichermaßen."

Mit Material von dpa

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1. richtig recherchiert?
lotoseater 05.10.2011
---Zitat von Spiegel-Artikel--- 1982 aber sah der Chemiker Daniel Shechtman sie mit eigenen Augen unter einem Elektronenmikroskop: Die Atomstruktur in den Proben aus Aluminium und Mangan, die er untersuchen wollte, war vollkommen anders als die eines gewöhnlichen Kristalls. ---Zitatende--- Erstens ist die Aussage für mich fraglich, dass er die Atomstruktur mit eigenen Augen gesehen hätte. Die Auflösung heutiger Elektronenmikroskope beträgt ca. 100pm, das kommt nur knapp an die Atomradien im untersuchten Metallgitter ran, falls ich mich da nicht irgendwo um ne Größenordnung vertan hab. Zweitens steht das im Artikel von Shechtman auch anders drin, soweit ich das richtig verstanden habe: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v53/i20/p1951_1 Er schreibt dort, dass er im Elektronenmikroskop (und mittels Röntgenbeugung) untersucht hat, ob der Kristall verzwillingt war. Er hat damit also ausgeschlossen, dass seine Messung ein Messfehler war. Der Nachweis seiner Struktur gelang stattdessen mittels Elektronenbeugung. Soweit erst mal meine laienhaften kristallographischen Anmerkungen (viel ist von der Vorlesung nicht hängengeblieben... *g*)
2. Dem Nobelpreis für Quasikristalle folgt
Kampfbuckler, 05.10.2011
Dem Nobelpreis für Quasikristalle folgt nächste Woche der Nobelpreis für ne Quasiwissenschaft,die Wirtschaftswissenschaften.
3. Nobelpreis für Chemie?
Kampfbuckler, 05.10.2011
Nobelpreis für Chemie? Der Preisträger ist ein promovierter Physiker und sein Arbeitsgebiet ist die Kristallographie als Wissenschaft von den Kristallen: „Thema ist ihre Struktur, Entstehung oder Herstellung, ihre Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten, sowie entsprechende Untersuchungsmethoden“. Und die Kristallographie gehört zum Forschungsgebiet „Festkörperphysik“.
4. gddhfh
Marginalius 05.10.2011
Zitat von lotoseaterErstens ist die Aussage für mich fraglich, dass er die Atomstruktur mit eigenen Augen gesehen hätte. Die Auflösung heutiger Elektronenmikroskope beträgt ca. 100pm, das kommt nur knapp an die Atomradien im untersuchten Metallgitter ran, falls ich mich da nicht irgendwo um ne Größenordnung vertan hab. Zweitens steht das im Artikel von Shechtman auch anders drin, soweit ich das richtig verstanden habe: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v53/i20/p1951_1 Er schreibt dort, dass er im Elektronenmikroskop (und mittels Röntgenbeugung) untersucht hat, ob der Kristall verzwillingt war. Er hat damit also ausgeschlossen, dass seine Messung ein Messfehler war. Der Nachweis seiner Struktur gelang stattdessen mittels Elektronenbeugung. Soweit erst mal meine laienhaften kristallographischen Anmerkungen (viel ist von der Vorlesung nicht hängengeblieben... *g*)
Naja. Es gibt schon so einige Mikroskopie-Methoden, mit denen man atomare Auflösung erreicht, sodass man Atome und deren Anordnung dann tatsächlich auch sehen kann ... natürlich nicht mit optischer Mikroskopie. Ich habe selbst schon mit TEM und STM an Silicium-Schichten gearbeitet. Wenn man sich viel Zeit nimmt und Unterstützung eines sehr erfahrenen Bedieners hat, kriegt man's hin. Solche Untersuchungen sind aber auch mit solchen Geräten recht aufwändig, da man optimale Bedingungen schaffen muss, um diese Auflösung auch tatsächlich zu erreichen. Nur mal einfach schnell ans Gerät setzen und drauf los schauen, reicht bei weitem nicht, aber es geht. Wenn Sie einfach mal nach "atome sehen" googlen, finden Sie mit Sicherheit auch Homepages und Dokumente, in denen solche Aufnahmen verschiedener Verfahren zu finden sind. Viele Grüße
5.
fareast 05.10.2011
Zitat von sysop"Eine solche Struktur kann es nicht geben", soll der israelische Chemiker David Shechtman gesagt haben, als er erstmals einen Quasikristall sah. Jetzt hat er den Nobelpreis bekommen, denn die von ihm entdeckten Muster*revolutionieren die*Materialforschung - und könnten von großem praktischen Nutzen sein. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,790035,00.html
Haette man den Preis nicht auch Roger Penrose verleihen sollen? Immerhin hat er die theoretischen Grundlagen dafuer geschaffen. Gefreut haette er sich sicher.
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Quasi-Kristalle: Die faszinierende Geometrie des Orient
Chemie-Nobelpreisträger seit 1999
2014
Wird am 08.10. 2014 vergeben
2013
2012
2011
Daniel Shechtman (Israel) für seine bahnbrechenden Erkenntnisse im Bereich der Kristallforschung.
2010
Richard Heck (USA), Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki (beide Japan) für die Verbindung von Kohlenstoffatomen zu komplexen Molekülen.
2009
Venkatraman Ramakrishnan (Großbritannien), Thomas A. Steitz (USA) und Ada E. Yonath (Israel) für die Studien zur Struktur und Funktion des Ribosoms.
2008
Osamu Shimomura (Japan), Martin Chalfie und Roger Tsien (beide USA) für die Entdeckung und Weiterentwicklung des grün fluoreszierenden Proteins.
2007
Gerhard Ertl (Deutschland) für seine Studien von chemischen Verfahren auf festen Oberflächen. Gerhard Ertl im SPIEGEL-Gespräch über seinen Weg zum Erfolg.
2006
Roger D. Kornberg (USA) für seine Arbeiten über die molekularen Grundlagen der Gentranskription in eukaryotischen Zellen.
2005
Yves Chauvin (Frankreich), Robert Grubbs und Richard R. Schrock (beide USA) für die Entwicklung der Metathese-Methode in der organischen Synthese.
2004
Aaron Ciechanover , Avram Hershko (beide Israel) und Irwin Rose (USA) für die Entdeckung des Ubiquitin-gesteuerten Proteinabbaus.
2003
Peter Agre und Roderick MacKinnon (beide USA) für seine strukturellen und mechanischen Studien von Ionenkanälen in Zellmembranen.
2002
John B. Fenn (USA) und Koichi Tanaka (Japan)für ihre Entwicklung von weichen Desorptions-/Ionisations-Methoden für massenspektrometrische Analysen von biologischen Makromolekülen sowie Kurt Wüthrich (Schweiz) für seine Entwicklung der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur von biologischen Makromolekülen in Lösungen.
2001
William S. Knowles (USA) und Ryoji Noyori (Japan) für ihre Arbeiten über chiral katalysierende Hydrierungsreaktionen sowie Barry Sharpless (USA) für seine Arbeiten über chiral katalysierende Oxidationsreaktionen.
2000
Alan J. Heeger (USA), Alan MacDiarmid (USA/Neuseeland) und Hideki Shirakawa (Japan) für die Entdeckung und Entwicklung von leitenden Polymeren.
1999
Ahmed Zewail (Ägypten und USA) für seine Studien des Übergangszustands chemischer Reaktionen mit Hilfe der Femtosekundenspektroskopie.

Ehrung mit Weltrang - die Nobelpreise
Der Stifter
Mit der Stiftung der Nobelpreise wollte der schwedische Forscher und Großindustrielle Alfred Nobel (1833-1896) einen Konflikt lösen, der sein Leben bestimmte: Der Dynamit-Erfinder konnte nicht verwinden, dass seine Entdeckung für den Krieg genutzt wurde. Als "Wiedergutmachung" vermachte er sein Vermögen einer Stiftung, aus deren Zinsen Preise für jene finanziert werden sollten, die "im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen geleistet haben". Nobel selbst hatte mehr als 350 Patente angemeldet.
Die Auszeichnungen
Die Preise werden seit 1901 vergeben. Die Dotierung stieg von anfangs 150.800 Kronen auf zehn Millionen Kronen (eine Million Euro), wurde 2012 aber wegen der Wirtschaftskrise wieder auf acht Millionen Kronen gesenkt. Bis zu drei Menschen können sich einen wissenschaftlichen Preis teilen. Der Friedensnobelpreis wird auch an Organisationen verliehen. Höhepunkt ist stets die feierliche Verleihung der Auszeichnungen am 10. Dezember, dem Todestag von Nobel.
Die Kategorien
Die Preisträger für Physik und Chemie werden immer von der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die der Medizin vom Karolinska-Institut in Stockholm und die Literaturpreisträger von der Königlich-Schwedischen Akademie der Künste ausgewählt. Die Friedenspreisträger bestimmt ein Ausschuss des norwegischen Parlaments in Oslo.
Die Alternativen
Neben den eigentlichen Nobelpreisen wird seit 1969 eine Ehrung für Wirtschaftswissenschaften in Gedenken an Alfred Nobel verliehen. Sie wurde 1968 von der Schwedischen Reichsbank gestiftet. Seit 1980 vergibt die "Stiftung zur Auszeichnung richtiger Lebensführung" (Right Livelihood Award Foundation) die Right Livelihood Awards, die oft als alternative Nobelpreise bezeichnet werden.