Nobelpreis für Chemie geht an Kristallforscher Die unmögliche Symmetrie der Quasikristalle

Der Chemie-Nobelpreis des Jahres 2011 geht an den israelischen Wissenschaftler Daniel Shechtman. Der Kristallforscher war nach seiner Entdeckung 1982 zuerst verlacht und aus der Arbeitsgruppe geworfen worden. Denn die von ihm beschriebenen Kristallmuster schienen gegen die Naturgesetze zu verstoßen.

Die Akademie der Wissenschaften in Stockholm hat den Chemie-Nobelpreisträger des Jahres 2011 verkündet: Die Auszeichnung geht an den israelischen Wissenschaftler Daniel Shechtman für "die Entdeckung der Quasikristalle".

Der Preis ist mit zehn Millionen Kronen (etwa eine Million Euro) dotiert.

Shechtman hatte 1982 Strukturen entdeckt, in denen Atome oder Moleküle in einer nur scheinbar regelmäßigen Struktur angeordnet sind, tatsächlich aber eine "quasiperiodische" Anordnung vorliegt.

Eine solche Anordnung war zuvor für unmöglich gehalten worden. Shechtman habe sich mit seiner bahnbrechenden Entdeckung gegen den erbitterten Widerstand der wissenschaftlichen Gemeinschaft durchsetzen müssen, hieß es in der Begründung der Königlichen Akademie der Wissenschaften. Die von Shechtman entdeckte Anordnung von Atomen habe unter Chemikern grundlegend die Vorstellung von fester Materie verändert.

"Es fühlt sich wunderbar an", kommentierte Shechtman, der am israelischen Institut für Technologie in Haifa forscht, die Neuigkeiten aus Stockholm.

Shechtman konnte seine Entdeckung 1982 zuerst selbst nicht glauben. Die Mischung aus Aluminium und Mangan, die er damals untersuchte, zeigte im Elektronenmikroskop eine Anordnung wider alle Logik: Die Beugungsmuster, die die Elektronen hervorriefen, bestanden aus konzentrischen Kreisen aus zehn hellen Punkten - Atome -, alle im gleichen Abstand voneinander.

Die Atome waren auf eine Weise angeordnet, die den Naturgesetzen zu widersprechen schien. So beschreibt das Nobelpreiskomitee die Entdeckung, für die der diesjährige Preisträger des Chemie-Nobelpreises ausgezeichnet wird. Zwar findet man in fast allen festen Stoffen regelmäßige Anordnungen von Atomen oder Molekülen. Das Muster aber, auf das Shechtman gestoßen war, konnte er weder in seinem Gedächtnis noch in der Literatur aufspüren. Aus guten Grund. "In einem Kristall bilden Atome sich wiederholende Muster, und abhängig von der chemischen Zusammensetzung weisen sie unterschiedliche Symmetrien auf", erklärt das Komitee.

Eigentlich können sich aber nur ein-, zwei-, drei-, vier- und sechszählige Symmetrien bilden. Bei einer fünfzähligen Symmetrie ist es nicht möglich, dass die Muster sich in allen drei Raumrichtungen wiederholen, wie es für Kristalle typisch ist. Und deshalb galt eine solche Symmetrie als unmöglich. Das gleiche gilt für sieben- oder höherzählige Symmetrien.

Shechtman aber konnte das Muster, das er entdeckt hatte, um 36 Grad rotieren lassen - und es blieb erhalten. Demnach, so das Nobelpreiskomitee, schaute er auf eine zehnzählige Symmetrie. Eine Rotation des Kristalls im Elektronenmikroskop ergab, dass zwar das Beugungsmuster diese Symmetrie aufwies, der Kristall selbst jedoch eine - genauso unmögliche - fünfzählige Symmetrie.

Aus der Arbeitsgruppe geworfen

Als Shechtman andere Forscher auf seine Beobachtung hinwies, glaubte man ihm nicht. Sein Labor-Chef (am U.S. National Institute of Standards and Technology) forderte ihn sogar auf, ein Lehrbuch der Kristallografie zu lesen, da er offenbar etwas falsch verstanden haben musste - und bat ihn schließlich, die Arbeitsgruppe zu verlassen.

Erst 1983 gelangt es Shechtman zusammen mit einem Kollegen am israelischen Institut für Technologie, die seltsamen Beobachtungen erneut zu untersuchen. Der Versuch, ihre Arbeit dazu zu veröffentlichen, scheiterte allerdings 1984 an der Redaktion des Journal of Applied Physics.

Schließlich gelang es dem französischen Wissenschaftler Denis Gratias, die Versuche von Shechtman zu wiederholen - mit dem gleichen Ergebnis. Der entsprechende Artikel von Shechtman und Gratias, veröffentlicht Ende 1984 in den Physical Review Letter, "ging unter den Kristallografen hoch wie eine Bombe", beschreibt das Nobelkomitee die Wirkung.

Fünf Wochen später veröffentlichten Paul Steinhardt und Dov Levine von der University of Pennsylvania einen Artikel, in dem sie den Begriff Quasikristalle einführten.

1992 änderte die International Union of Crystallography aufgrund der Entdeckung die Definition des Kristalls.

Seit Shechtmans Entdeckung wurden Quasikristalle in verschiedenen Labors produziert. Ein schwedisches Unternehmen fand sie in einer der beständigsten Stahlarten, die nun für Produkte wie spezielle, dünne Nadeln für Augenoperationen und Rasierklingen eingesetzt wird. In der Natur wurden Quasikristalle erstmals 2009 entdeckt.

Die seit 1901 verliehenen Chemie-Nobelpreise gingen vor allem an amerikanische Forscher. Die erste Auszeichnung erhielt der Niederländer Jacobus van't Hoff für die Entdeckung von Gesetzen der Osmose.

Im vergangenen Jahr hatten sich der Amerikaner Richard Heck sowie die Japaner Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki den Preis geteilt. Sie hatten Verfahren entwickelt, mit denen sich Kohlenstoffatome zu komplexen Molekülen wie etwa medizinischen Wirkstoffen verbinden lassen.

Gestern waren die Träger des Physik-Nobelpreises verkündet worden: Ausgezeichnet wurden die Amerikaner Saul Perlmutter, Adam Riess und Brian Schmidt für die "Entdeckung der beschleunigten Ausbreitung des Universums durch Beobachtung entfernter Supernovae".

Am Montag hatte das Komitee die Träger des Medizin-Nobelpreises bekanntgegeben, morgen folgt der Literatur-Nobelpreis.

Der mit besonderer Spannung erwartete Träger des Friedensnobelpreises wird am Freitag in Oslo verkündet. Den Abschluss bildet der Preis für Wirtschaftswissenschaften am Montag kommender Woche. Verliehen werden die Auszeichnungen am 10. Dezember.