Nobelpreis für Chemie 2011 an einen Werkstoffwissenschaftler vergeben!

Daniel Shechtman erhält den diesjährigen Nobelpreis für Chemie für seine Entdeckung, dass Atome in Metallen sich in nichtperiodischen, fünfzähligen, quasikristallinen Strukturen anordnen können. Was bedeutet das nun, und worin besteht die Leistung von Shechtman?

Um das besser zu verstehen, wechseln wir den Beruf und werden Fliesenleger. Die jungen Fliesenleger lernen, dass man einen Raum lückenlos mit dreieckigen, viereckigen oder sechseckigen Fliesen füllen kann. Das zeigen die Bilder. Eine dreieckige, gleichschenklige Fliese kann man 3 x um 120° drehen und in jedem der drei Fälle würde sie wieder in das Fliesenmuster passen. So etwas nennt man dreizählige Symmetrie. Viereckige Fliese könnten wir 4 x um 90° drehen und sechseckige Fliese sogar 6 x um 60°, ohne dass sich irgendetwas ändert. Wir können eine Fläche lückenlos mit drei-, vier- oder sechseckigen Fliesen füllen und erhalten dabei in jeder Richtung ganz periodische Anordnungen – Fliese für Fliese für Fliese …

Ähnliche Strukturen finden die Werkstoffwissenschaftler auch in Metallen. Atome ordnen sich in periodischen Kristallstrukturen, deren Symmetrie z.B. dreizählig, vierzählig (Quadrat: 4 x 90°) oder sechszählig ist. Eins aber war immer ein Tabu für die Werkstoffwissenschaftler – eine fünfzählige Symmetrie. Ganz analog zum Fliesenleger, der mit fünfeckigen Fliesen keine Fläche lückenlos ausfüllen kann.

Wie erkennen die Werkstoffleute solche Symmetrien? Natürlich nicht direkt mit dem bloßen Auge – dafür sind unsere „Metall-Fließen“ viel zu klein. Werkstoffwissenschaftler nutzen indirekte Nachweise – z.B. durch die Beugung von Elektronen- oder Röntgenstrahlen. Das Bild zeigt ein vierzähliges Elektronen-Beugungsmuster eines Metalls, in dem die Atome „würfelförmig“ angeordnet sind. Shechtman fand nun aber Beugungsmuster, die fünfeckig waren. Das war „verboten“!

Kehren wir mit diesem Gedanken zurück zu unseren Fliesenlegern und stellen uns vor, dass es eine „goldene Regel“ in der Fliesenlegerinnung gibt, die heißt: „Anordnungen mit fünfzähliger Symmetrie sind unmöglich“. Und nun kommt „Fliesenleger Shechtman“ und sagt: „Ich hab was Fünfeckiges gefunden“. Wie begeistert wird die Fliesenlegerinnung wohl gewesen sein? Gar nicht! Shechtman musste mehrere Jahre kämpfen, um seine Ergebnisse gegen den Widerstand der „etablierten Wissenschaft“ überhaupt veröffentlichen zu dürfen. Seine Ergebnisse wurden von anerkannten Gelehrten als falsch oder als Spinnerei abgetan. Den Nobelpreis erhält er circa 30 Jahre nach seiner Entdeckung.

Wie können sich Atome in fünfzähligen Strukturen anordnen, obwohl man mit Fünfecken keine Fläche lückenlos füllen kann? Wie das geht, zeigt das Bild:

Man nehme zwei spezielle Typen von gleichseitigen Rauten (also Vierecken!), deren spitze Winkel 72° bzw. 36° betragen und ordne sie, wie im Bild dargestellt. Die Fläche ist nun vollständig gefüllt, aber wir erhalten keine periodische Anordnung wie bei den drei-, vier- und sechseckigen Fliesenmustern. Wenn man sich genauer ansieht, in welche Richtungen die Kanten der Rauten zeigen, so findet man fünf unterschiedliche Richtungen – das ist unsere fünfzählige Symmetrie! Ordnen sich Atome so an, dann nennt das der Werkstoffwissenschaftler Quasikristall – soll heißen, es gibt keine periodische Regelmäßigkeit, aber es gibt auch keine Lücken.

Wofür hat Shechtman nun den Nobelpreis bekommen?
• Weil er Einzigartiges gefunden hat.
• Weil er Revolutionäres gedacht hat.
• Weil er seine Überzeugung verteidigt hat.
• Weil er die Welt der Werkstoffwissenschaften verändert hat.
• Und außerdem haben Quasikristalle ganz interessante und nützliche Eigenschaften …

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Zur Erinnerung an John Bardeen

Heute jährt sich der 20. Todestag des Physikers John Bardeen. Da könnte man fragen: „John wer … ?“

Newton und Einstein sind vielen Menschen ein Begriff, doch Bardeen, der ohne Zweifel zu den Allergrößen seines Faches gehört, ist zu Unrecht eher unbekannt. Dabei hat er in mehrfacher Hinsicht Überragendes geleistet.

Bardeen war Festkörperphysiker und einer der Erfinder des Transistors. Für diese überragende Leistung in der Experimentalphysik erhielt er zusammen mit seinen Kollegen 1956 den Nobelpreis für Physik. Die Erfindung des Transistors schuf die Grundlage für das Computerzeitalter und bestimmt heute wie kaum eine andere wissenschaftliche Leistung unseren Arbeits- und Lebensalltag.

Bardeen leistete darüber hinaus Außergewöhnliches auf dem Gebiet der theoretischen Physik. Für die quantentheoretische Erklärung der Supraleitung erhielt er zusammen mit (anderen) Kollegen 1972 ein zweites mal den Physiknobelpreis. Die sogenannte BCS-Theorie (BCS steht für die Anfangsbuchstaben der Namen der drei Entdecker) beschreibt das kollektive Verhalten von Elektronen in Festkörpern und gehört zu den quantenphysikalischen Meisterleistungen der Physik.

Was macht die Leistungen von Bardeen so bemerkenswert?
Er ist bis heute der einzige Mensch, dem zweimal der Physiknobelpreis verliehen wurde. Er hat Großes sowohl auf theoretischem als auch auf praktischem Gebiet geleistet. Seine Leistungen ragen selbst unter den nobelpreiswürdigen Arbeiten noch ein stückweit heraus. Die Auswirkungen seiner wissenschaftlichen Forschung sind wie ganz wenige andere Entdeckungen und Erfindungen heute unmittelbar in unserem Leben zu spüren. Was wären wir ohne Computer, Smartphones und Netzwerke …?

Dennoch ist Bardeen außerhalb seiner Zunft weitgehend unbekannt. Wie viele Follower hätte Bardeen beispielsweise heute auf Twitter? Lady Gaga hat über 18 Millionen …

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