Werkstoffwissenschaftler mit Nobelpreis für Chemie 2011 gewürdigt

Der Nobelpreis für Chemie 2011 ging an Daniel Shechtman für seine Entdeckung, dass sich Atome in Metallen in nichtperiodischen, quasikristallinen Strukturen anordnen können – mit fünfzähliger Symmetrie. Doch was bedeutet das genau für, und worin besteht die besondere Leistung dieser Entdeckung für die Werkstoffwissenschaft?

Um das besser zu verstehen, hilft ein Perspektivwechsel.

Ein Gedankenexperiment mit Fliesen

Stellen wir uns vor, wir wären Fliesenleger. In der Ausbildung lernt man schnell, dass sich eine Fläche lückenlos mit dreieckigen, viereckigen oder sechseckigen Fliesen auslegen lässt. Dabei entstehen periodische Muster, die sich regelmäßig wiederholen:

• Eine dreieckige Fliese kann dreimal um 120° gedreht werden und passt weiterhin in das Muster – man spricht von dreizähliger Symmetrie.
• Eine quadratische Fliese lässt sich viermal um 90° drehen – vierzählige Symmetrie.
• Eine sechseckige Fliese sogar sechsmal um 60° – sechszählige Symmetrie.

In allen Fällen lässt sich eine Fläche lückenlos und periodisch füllen: Fliese an Fliese an Fliese.

Das alte Dogma der Kristallographie

Ähnliche Strukturen finden Werkstoffwissenschaftler auch in Metallen. Die Atome ordnen sich in periodischen Kristallstrukturen an, deren Symmetrien beispielsweise drei-, vier- oder sechszählig sein können.

Eine Symmetrieform galt jedoch lange als ausgeschlossen: die fünfzählige Symmetrie. Der Grund ist derselbe wie beim Fliesenleger: Mit regelmäßigen Fünfecken lässt sich eine Fläche nicht lückenlos und periodisch ausfüllen.

Wie erkennt man atomare Symmetrien?

Die atomare Struktur eines Metalls kann natürlich nicht direkt mit dem Auge beobachtet werden – dafür sind die atomaren Abstände viel zu klein. Werkstoffwissenschaftler nutzen daher indirekte Methoden, zum Beispiel: Elektronenbeugung und Röntgenbeugung. Aus den entstehenden Beugungsmustern lassen sich Rückschlüsse auf die Symmetrie der atomaren Anordnung ziehen. Typische Metalle mit kubischer Struktur zeigen beispielsweise vierzählige Beugungsmuster.

Daniel Shechtman beobachtete jedoch etwas völlig Unerwartetes: Beugungsmuster mit fünfzähliger Symmetrie. Nach dem damaligen Stand der Wissenschaft war das schlicht „verboten“.

Gegen den Widerstand der Fachwelt

Kehren wir noch einmal zu unserem Fliesenleger-Beispiel zurück. Angenommen, es gäbe eine unumstößliche Regel der Fliesenlegerzunft: „Fünfzählige Muster sind unmöglich.“

Und nun käme ein Fliesenleger und würde behaupten: „Ich habe ein solches Muster gefunden.“

Die Reaktion der Zunft wäre vermutlich wenig begeistert.

Ganz ähnlich erging es auch Daniel Shechtman. Seine Ergebnisse wurden zunächst von Teilen der wissenschaftlichen Gemeinschaft stark angezweifelt oder sogar als Irrtum abgetan. Es dauerte mehrere Jahre, bis seine Arbeiten veröffentlicht und akzeptiert wurden. Den Nobelpreis erhielt er schließlich rund 30 Jahre nach seiner ursprünglichen Entdeckung.

Wie sind fünfzählige Strukturen möglich?

Wie können Atome eine fünfzählige Symmetrie bilden, wenn sich Fünfecke nicht periodisch aneinanderfügen lassen? Die Lösung besteht darin, andere geometrische Formen zu verwenden. Man kann zwei spezielle Typen von gleichseitigen Rauten kombinieren:

• eine Raute mit einem spitzen Winkel von 72°
• eine Raute mit einem spitzen Winkel von 36°

Ordnet man diese Formen in geeigneter Weise an, entsteht eine lückenlose Struktur, die jedoch nicht periodisch ist. Das Muster wiederholt sich also nicht regelmäßig – besitzt aber dennoch eine klare Ordnung und fünf bevorzugte Richtungen. Genau solche Strukturen wurden später in bestimmten metallischen Legierungen gefunden.

Werkstoffwissenschaftler sprechen hier von Quasikristallen. Deren Struktur verfügt über keine periodische Wiederholung, ist aber dennoch geordnet und ohne Lücken aufgebaut.

Kurz und knapp: Warum erhielt Shechtman den Nobelpreis?

Die Bedeutung der Entdeckung lässt sich aus mehreren Perspektiven verstehen:

• Sie zeigte erstmals, dass fünfzählige Symmetrien in atomaren Strukturen möglich sind.
• Sie stellte ein zentrales Dogma der Kristallographie infrage.
• Sie eröffnete ein neues Forschungsfeld in der Werkstoffwissenschaft.

Und nicht zuletzt auch deshalb:

• weil Shechtman etwas Einzigartiges entdeckt hat,
• weil er eine revolutionäre Idee verfolgt hat,
• weil er seine Ergebnisse gegen erheblichen Widerstand verteidigt hat,
• und weil seine Entdeckung das Verständnis kristalliner Materialien nachhaltig verändert hat.

Darüber hinaus besitzen Quasikristalle eine Reihe ungewöhnlicher und teilweise sehr nützlicher Eigenschaften – etwa hohe Härte, geringe Reibung oder besondere elektrische Eigenschaften –, die bis heute Gegenstand intensiver Forschung sind.