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11.10.2011

Hintergrundbericht: Unbeugsamer Materialwissenschaftler erhält Chemie-Nobelpreis


Der Nobelpreis für Chemie 2011 geht an den israelischen Wissenschaftler Daniel Shechtman. Er wird für die Entdeckung der Quasikristalle, die vor rund 30 Jahren einen Paradigmenwechsel in der Kristallographie einläutete, ausgezeichnet.

Am Morgen des achten Aprils 1982 erschien in Daniel Shechtman"s Elektronenmikroskop ein Bild, das scheinbar einem fundamentalen kristallographischen Gesetz widersprach: Sich in thermodynamischem Gleichgewicht befindliche Materie sollte immer kristallin sein, also eine periodische Anordnung von Atomen oder Molekülen enthalten. Shechtman's experimentelle Ergebnisse ließen jedoch keinen anderen Schluss zu als dass sich die Atome in seinem Kristall in einem Muster angeordnet hatten, das sich nicht periodisch wiederholen ließ. In der Tat lässt sich nämlich nicht an dem kristallographischen Gesetz rütteln, dass ikosaedrische Beugungssymmetrie und dreidimensionale Gitterperiodizität prinzipiell unvereinbar sind.

Shechtman"s Entdeckung stieß in der Folge auf erbitterten Widerstand. Einer seiner bekanntesten Kritiker war der zweifache Nobelpreis-Träger Linus Pauling. Er kritisierte Shechtman auf einem Kongress in den USA öffentlich: "Danny Shechtman erzählt Blödsinn. So etwas wie Quasikristalle gibt es nicht, bloß Quasi-Wissenschaftler." Der Israeli verteidigte indessen seinen Befund, was ihn schließlich seinen Platz in der Forschungsgruppe am NIST kostete.

Nach hartem Ringen setzte sich Shechtmans Erkenntnis durch. Der israelische Forscher konnte seine Resultate im November 1984, zweieinhalb Jahre nach der Entdeckung in der angesehenen Zeitschrift Physical Review Letters, publizieren.

Quasikristalle - Schatten aus höheren Dimensionen

Für Walter Steurer, Professor für Kristallographie an der ETH Zürich, ist die Vergabe des Nobelpreises an Shechtman denn auch "absolut gerechtfertigt". Er habe diese Entdeckung ganz alleine gemacht, habe alle Widerstände, die dagegen aufgekommen seien, überwunden. Die Entdeckung eines neuen Ordnungszustands kondensierter Materie sei von fundamentaler Bedeutung. Trotz aller Schwierigkeiten habe Shechtman daran geglaubt, dass sein Schluss richtig sei. "Er hat die Tragweite seiner Entdeckung voll erkannt", sagt Steurer, der den Nobelpreisträger persönlich kennt. Pauling sei sehr voreingenommen und nicht gewillt gewesen, genauer hinzusehen.

So unrecht hatte die klassische Kristallographie allerdings nicht. Fünfzählige Symmetrie und dreidimensionale periodische Kristallgitter sind unvereinbar. In vier- oder höherdimensionalen Gittern ist dies aber möglich. Darum werden heute Quaskristallstrukturen als Projektionen aus höherdimensionalen Räumen beschrieben.

Bemerkenswert ist, dass lange vor der Entdeckung quasiperiodischer Parkettierungen durch den britischen Mathematiker Roger Penrose im Jahre 1974, ähnliche Muster in orientalischer ornamentaler Kunst verwendet wurden, z.B. in der berühmten Festung Alhambra in Spanien oder dem Darb-i Imam-Schrein in Iran

Großes Anwendungspotenzial in Metakristallen

Steurer trat eher zufällig in die Fußstapfen Shechtmans. 1986 stieß der ETH-Professor, damals noch an der LMU München, selbst auf einen Quasikristall - und arbeitet seither mit den ungewöhnlichen Kristallstrukturen. "Quasikristalle weckten damals mein Interesse und sind für mich bis heute spannend geblieben", sagt er. Steurer wird auch weiterhin daran forschen, "primär an den Grundlagen", wie er betont. Ebenfalls interessant sei jedoch das Anwendungspotenzial in photonischen und phononischen Quasikristallen, um mit solchen Materialien Licht und Schallwellen zu manipulieren.

Quasikristalle sind jedoch nicht nur für die Grundlagenforschung interessant. Mittlerweile gibt es auch praktische Anwendungen. So wurden Bratpfannen mit Materialien, die aus Quasikristallen bestehen, beschichtet. Solche Beschichtungen haben ähnliche Vorzüge wie Teflon, sind aber wesentlich härter und hitzebeständiger. Geforscht wird auch am Einsatz in der Elektronik und als Wasserstoffspeicher.

Erst vor kurzem entdeckten Wissenschaftler zudem, dass Quasikristalle auch in der Natur vorkommen. In einem Mineral aus Sibirien, das in einem italienischen Museum aufbewahrt wurde, fanden Forscher nicht oxidierte Quasikristalle aus den Elementen Aluminium, Kupfer und Eisen. Für Steurer ein bemerkenswerter Hinweis auf die hohe Beständigkeit, denn: "Eisen überdauert keine Million Jahre, ohne zu Rost zu zerfallen."

Quelle: ETH Zürich




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