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Offen für das Unerwartete

06.06.2012 - (idw) Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau e.V.

- Nicht ohne Widerstände: der Weg von der Labornotiz zum Nobelpreis
- Wie wichtig es ist den eigenen Experimenten zu vertrauen
- Shechtman: Experten erkennen eine Entdeckung sofort Lindau, 06.06.2012. Die Hartnäckigkeit, mit der herausragende Forscher ihre Interpretationen von Messergebnissen gegen die herrschende Meinung verfechten, hat schon oft zum Fortschritt der Wissenschaft beigetragen. Dan Shechtman, Chemienobelpreisträger des Jahres 2011, liefert ein Beispiel hierfür. Er verteidigte über zehn Jahre lang seine Entdeckung quasi-periodischer Kristalle, ehe sie anerkannt wurde. Gemeinsam mit 27 weiteren Nobelpreisträgern und mehr als 580 Nachwuchswissenschaftlern aus aller Welt wird er an der 62. Lindauer Nobelpreisträgertagung teilnehmen, die in diesem Jahr der Physik gewidmet ist. Zwei andere Forscher, deren Arbeit mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, weil sie überraschende Spuren konsequent verfolgten und damit Materialien mit neuen physikalisch-chemischen Eigenschaften entdeckten, sind Sir Harold Kroto und Douglas Osheroff. Auch sie werden an der diesjährigen Lindauer Tagung, die vom 1. bis zum 6. Juli stattfindet, teilnehmen.

Beharrlichkeit lohnt sich

Mit langem Atem hat Dan Shechtman um die Anerkennung seiner bahnbrechenden Entdeckung gekämpft. Am Morgen des 8. April 1982 hatten ihm Ergebnisse einer Elektronenbeugung, mit der er an der John Hopkins University eine sich rasch verfestigende Aluminium-Magnesium-Legierung untersuchte, ein völlig unerwartetes Bild gezeigt. Statt einer symmetrisch kristallinen Anordnung in drei, vier- oder sechszähligen Achsen, wies das Beugungsmuster auf zehnzählige Achsen hin - und damit auf eine Anordnung, bei welcher die einzelnen Atome nicht mehr den gleichen Abstand zu allen Nachbarn haben, was damals als unbedingte Notwendigkeit für einen Kristall galt. Shechtmans Ergebnisse wiesen ein aperiodisches Muster auf, ähnlich den mittelalterlichen Mosaiken im Alhambra Palast in Spanien. Shechtman vermerkte die Entdeckung in seinem Laborbuch mit drei Fragezeichen aber er glaubte an sie, wie er sich heute erinnert: Wissenschaft ist in ihrem Kern experimentell und ein Experte erkennt eine Entdeckung sofort, wenn er auf sie stößt. Weitere Messungen bestätigten Shechtman in seiner Entdeckung, der bis dahin unbekannten quasi-periodischen Kristallform. Doch die Heerschar der Kritiker war groß, verstießen die Quasikristalle doch gegen die bisherige Lehrmeinung. Shechtman ließ sich aber nicht beirren und forschte mit Kollegen am Technion in Haifa beharrlich weiter. Ein Experte überprüft stets seine eigenen Ergebnisse. Bestätigen ihn die weiteren Experimente, kann er aufrecht gegen jede theoretische Kritik bestehen, sagt er heute.
Erst als es gelang, größere Mengen an Quasikristallen herzustellen und deren Muster durch Röntgenbeugung zu bestätigen, konnten Dan Shechtman und seine Mitstreiter die International Union of Crystallography zehn Jahre nach der Entdeckung der Quasikristalle von deren Existenz überzeugen. Die Definition für Kristalle wurde geändert. Heute werden Quasikristalle wegen ihrer spröden und harten Eigenschaften unter anderem bereits für die Herstellung besonders harten Stahls verwendet.

Exotische Superflüssigkeit

Gasförmig, flüssig und fest sind die Aggregatzustände der Materie, die uns im täglichen Leben begegnen. Damit verbunden sind physikalische Phänome wie die Reibung zwischen benachbarten Teilchen. Ein Strudel in einer Flüssigkeit, der durch Umrühren erzeugt wurde, kommt deshalb von alleine wieder zum Stillstand. Physiker kennen jedoch einen weiteren Aggregatzustand, die Superfluidität. Superfluide Flüssigkeiten strömen ohne jegliche Reibung beständig weiter. Dieser exotische Aggregatzustand ist für viele Forschungsbereiche der Physik von der Quantenmechanik bis zur Kosmologie von Bedeutung. Für Helium-4 war eine solche suprafluide Phase nahe des absoluten Nullpunkts bereits seit 1911 bekannt. Helium-4 hat einen ganzzahligen Eigendrehimpuls (Spin) und zählt zu den Bosonen, die der Bose-Einstein-Theorie zufolge kollektiv in einen superfluiden Zustand übergehen können. Helium-3 dagegen zählt mit seinem halbzahligen Spin zu den Fermionen und unterscheidet sich in seinen physikalischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen erheblich von Helium-4. Dennoch war gemäß der Barden-Cooper-Schriefer (BCS)-Theorie zur Erklärung der Supraleitfähigkeit (Physiknobelpreis 1972) zu erwarten, dass auch Helium-3 unter bestimmten Bedingungen der Bildung eines sogenannten Cooper-Paares - den superfluiden Zustand erreichen könnte. Das bestätigte der Doktorand Douglas Osheroff durch seine Geistesgegenwart in einer Aprilnacht des Jahres 1972. Er untersuchte an der Cornell-Universität in Ithaca magnetische Eigenschaften des festen Helium-3 nur 0,2 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Sein Ziel war es, eine sogenannte Phasenverschiebung durch eine Erhöhung des Drucks als Zeitfunktion zu erfassen. Doch fielen ihm unerwartete Sprünge in der Messkurve auf. Das Signal der Kernspinresonanz fiel beim Phasenübergang bei niedrigerer Temperatur um den Faktor zwei. Ich meinte, dass dies das Ergebnis der Bildung eines Cooper-Paares in der Flüssigkeit sein müsse, erinnert er sich. Weit nach Mitternacht schrieb er in sein Notizbuch: 2:30 Uhr. Habe heute Nacht die superfluide Phasenverschiebung in flüssigem Helium-3 entdeckt. Es bedurfte mehrerer Monate sorgfältiger Messungen, die Osheroff mit seinem Betreuer David Lee und seinem Fakultätskollegen Robert Richardson durchführte, um diese Entdeckung zu bestätigen. Dafür wurde das Trio 1996 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet. Osheroff wird in seinem Vortrag How Advances in Science are Made darüber berichten, wie aus seiner Sicht Fortschritte in der Wissenschaft gelingen.

Faszinierende Kohlenstoffbälle

Erwarte immer das Unerwartete, meint Sir Harold Kroto, der gemeinsam mit Robert Curl und Richard Smalley im Jahr 1996 mit dem Chemienobelpreis für die Entdeckung der Fullerene ausgezeichnet wurde. Die Kohlenstoffvariante mit wabenartig angeordneten Molekülen, die eine Kugel formen, war eine echte Sensation, stellt sie doch eine völlig neue Form festen Kohlenstoffs dar. Bis dahin waren nur harter Diamant und weicher Graphit als feste Kohlenstoffgitter bekannt. Die Namen der Kohlenstoffbälle (Buckyballs sowie Fullerene) erinnern an die Kuppelbauten des Architekten Buckminster Fuller.
Kroto hatte im Jahr 1985 während eines Gastaufenthalts an der Rice-Universität in Houston in den Laboren von Smalley und Curl Graphit mit einem Laserstrahl in einem Heliumstrahl verdampft, um kurze Kohlenstoffketten nachzuweisen, wie man sie aus Messungen im interstellaren Raum erwartete. Doch zeigte eine massenspektroskopische Aufnahme den größten Ausschlag bei einer Verbindung, die offenbar aus 60 Kohlenstoffen bestand. Curl, Kroto und Smalley entwickelten die Idee der Kugel aus 60 Kohlenstoffatomen. Ich hatte ein starkes Bauchgefühl, dass diese elegante Lösung einfach richtig sein musste, erinnert sich Harold Kroto. Ähnlich Shechtman begann er, diese Vermutung zu verifizieren oder im Zweifelsfall selbst zu widerlegen. Bald wurden die Ergebnisse anerkannt und Fullerene zum begehrten Forschungsobjekt. Sie gelten als potenzielle Katalysatoren, Schmiermittel sowie als Halbleiter und Supraleiter. Zuletzt sorgten Fullerene in festem Aggregatzustand für Aufsehen. Sie wurden mit dem Infrarotteleskop Spitzer in der Nähe des Sternenpaares XX Ophiuchi aufgespürt.

In seinem Vortrag Lost in Translation wird Sir Harold Kroto auf die Notwendigkeit der Vermittlung wissenschaftlicher Sprache und Inhalte eingehen. Als begeisternder Wissenschaftskommunikator bekannt, setzt er sich selbst mit Projekten wie Vega und Geoset seit Jahren dafür ein, Wissenschaft auch verstärkt per Internet zu vermitteln.

Wissenschaftliche Inhalte und Debaten zu kommunizieren ist auch ein entscheidendes Anliegen der Lindau Nobelpreisträgertagungen. Die zentrale Internet-Plattform hierfür ist die Lindauer Mediathek. Sie umfasst Tonmitschnitte und Video
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