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Wissen & Umwelt

Nobelpreis für einen Kristall, der keiner ist

Das Komitee für den Chemie-Nobelpreis hat den israelischen Forscher Daniel Shechtman ausgezeichnet. Er hat die so genannten Quasikristalle entdeckt. Ihr Aufbau ist nur scheinbar regelmäßig.

Daniel Shechtman, der den Nobelpreis für Chemie 2011 erhalten hat (Foto: picture-alliance/dpa)

Entdeckte die Quasikristalle: Dan Shechtman

Wenn man eine Wand fliest, benutzt man normalerweise quadratische oder rechteckige Fließen. Vier Ecken sollten die Kacheln haben, damit man die Wand lückenlos bedecken kann und ein regelmäßiges, so genanntes periodisches Muster entsteht.

Bis 1982 gingen die Wissenschaftler auch davon aus, dass die Struktur von Kristallen immer nur periodisch aufgebaut sein kann. Das bedeutet, dass sich die Anordnung der Atome im Kristall wiederholt - in jeder der drei Raumrichtungen. Jedes Atom ist also von anderen umgeben, die ein identisches Muster ergeben.

Fünfeckiger Ho-Mg-Zn-Kristall (Foto: public domain)

Fünfeckige Form eines Quasi-Kristalls

1982 wies Dan Shechtman aber nach, dass diese Regel nicht für Quasikristalle gilt. In diesen Strukturen sind die Atome in Mustern angeordnet, die sich niemals wiederholen und Fünfecke ergeben statt Quadrate oder Rechtecke. Das war bis zu diesem Zeitpunkt für unmöglich gehalten worden. Für seine bahnbrechende Entdeckung hat ihm das Nobelpreis-Komitee der Königlichen Akademie der Wissenschaften in Stockholm am Mittwoch (05.10.2011) den Chemie-Nobelpreis verliehen. "Shechtmans Arbeit hat zu einem Paradigmenwechsel in der Chemie geführt", sagte der Chef des Chemie-Nobelkomitees, Lars Thelander. Shechtman selbst sprach von "einem Festtag für die Wissenschaft auf der ganzen Welt".

Scheinbares Chaos im Muster

Solche unregelmäßigen Kristalle bilden sich beispielsweise, wenn geschmolzenes Material schlagartig abgekühlt wird. Die Atome haben dann nicht genug Zeit, sich wieder in einem regelmäßigen Gitter anzuordnen. Auch Shechtman kühlte eine Mischung aus Aluminium und Mangan extrem schnell ab, um die Quasikristalle zu erhalten.

In der Kunst werden die unregelmäßigen Muster schon seit langem als Motive verwendet. Zum Beispiel ähnelt die Struktur islamischer Mosaike denen der Quasikristalle. In der Industrie finden sich Quasikristalle beispielsweise auch in bestimmten Stahlarten. Sie können für spezielle, besonders dünne Nadeln für Augenoperationen oder für Rasierklingen eingesetzt werden.

Langer Weg bis zum Preis

Atommodell eines Ag-Al-Quasikristalls (Foto: public domain)

Erinnert an orientalische Malereien: Das Muster eines Ag-Al-Quasikristalls

Der 1941 in Tel Aviv geborene Daniel Shechtman forscht am israelischen Institut für Technologie in Haifa. Nach seiner Doktorarbeit arbeitete er in Ohio in den Forschungslaboren der Wright-Patterson Air Force Base. Shechtman beschäftigte sich bereits damals mit der Mikrostruktur und den physikalisch-metallurgischen Eigenschaften von Titan-Aluminiden. Ab 1975 arbeitete er dann am Institut für Materialwissenschaften von Technion, der Technischen Universität in Haifa in Israel. 1981 ging er für eine zweijährige Auszeit in die USA an die John Hopkins Universität, wo er ein Jahr später in einer Forschergruppe die Quasikristalle nachwies.

Zu diesem Zeitpunkt galt die Entdeckung als Verstoß gegen die Naturgesetze. Shechtman musste die Forschungsgruppe sogar verlassen, weil er sich dem erbitterten Widerstand der anderen Wissenschaftler widersetzte. Shechtmans Entdeckung ebnete dennoch den Weg, die Vorstellung, wie feste Stoffe aufgebaut sind, zu verändern. "Viele Entdeckungen kommen über einen sehr langen Zeitraum zustande", begründete Sven Lidin, Mitglied des Chemie-Nobelkomitees, die späte Auszeichnung. Es sei ein langer und harter Kampf um Anerkennung gewesen, sagte auch Shechtmans Ehefrau Zipi. Man habe sich sogar über ihn lustig gemacht auf Kongressen, so Zipi Shechtman. Das Paar hat vier erwachsene Kinder.

Ehrenvoller Preis

Der Nobelpreis in Chemie ist mit zehn Millionen Kronen (1,1 Millionen Euro) dotiert. 2010 ging der Preis an den US-Amerikaner Richard Heck und die beiden Japaner Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki. Sie wurden ausgezeichnet für ihre Entwicklung der palladiumkatalysierten Kreuzkopplung in organischen Synthesen. Ihre Methode hat neue Verbindungen auf Kohlenstoffbasis ermöglicht.

Am Montag und Dienstag hatte die Königliche Akademie der Wissenschaften bereits die Träger der Nobelpreise für Medizin und Physik bekanntgegeben. Am Donnerstag folgt der Nobelpreis für Literatur, am Freitag die mit besonderer Spannung erwartete Bekanntgabe des diesjährigen Friedensnobelpreisträgers. Den Abschluss bildet der Preis für Wirtschaftswissenschaften am Montag kommender Woche. Verliehen werden die Auszeichnungen am 10. Dezember in Stockholm, dem Todestag des Preisstifters Alfred Nobel.

Autor: Nicole Scherschun
Redaktion: Judith Hartl

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