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Nobelpreis für Dan Shechtman: Schönes Chaos im Kristallgitter

Was Daniel Shechtman unter dem Mikroskop sah, hätte es nicht geben dürfen. Mit der Entdeckung der Quasikristalle stellte der Chemiker grundlegende Gesetze in Frage - und erhielt dafür den Nobelpreis.

Von Lea Wolz

Am Morgen des 8. April 1982 blickte der israelische Forscher Daniel Shechtman im Labor des National Institute of Standards and Technology in den USA durch sein Elektronenmikroskop und war überrascht: Die Atome in dem von ihm untersuchten Kristall waren in einem ungewöhnlichen Muster angeordnet, das sich nicht wiederholte. Dies schien den bekannten Naturgesetzen zu widersprechen - und veränderte das Verständnis vom Aufbau von Feststoffen grundlegend.

Für die Entdeckung dieser sogenannten Quasikristalle erhielt der 70-jährige Chemiker Shechtman, emeritierter Professor am Technion-Institut in Haifa, nun den Nobelpreis für Chemie. "Shechtmans Arbeit hat zu einem Paradigmenwechsel in der Chemie geführt", sagte der Chef des Chemie-Nobelkomitees, Lars Thelander. "Seine Arbeit traf auf große Skepsis. Aber Dank der hohen Qualität seiner Daten konnte der Meinungsstreit beendet werden."

Ein Kristall, den es nicht geben dürfte

Shechtman entdeckte 1982 Quasikristalle aus einer Aluminium-Mangan-Legierung. Sie standen zunächst im Widerspruch zu den grundlegenden Gesetzen der Kristallographie.

"Solch eine Kreatur kann nicht existieren", soll Shechtman beim Blick durch das Mikroskop gesagt haben. Neben seinen Eintrag im Notizbuch machte er daher auch gleich drei Fragezeichen. Doch um die Tragweite der Entdeckung zu verstehen, muss man erst einmal einen Schritt zurückgehen.

Nahezu alle Feststoffe - von Eis bis Gold - bestehen auf atomarer Ebene aus Kristallgittern. Die Atome sind darin streng symmetrisch und periodisch angeordnet. Diese lückenlose Gesamtstruktur, in der sich ein einziges symmetrisches Muster immer wiederholt, betrachteten Wissenschaftler bis zum Zeitpunkt der Entdeckung als grundlegend für den Aufbau von Kristallen.

Chaos im Atomgitter

Doch was Shechtman durch sein Mikroskop beobachtete, ließ sich nicht mit dieser Annahme vereinbaren: Die Muster dieses Kristalls widersprachen dem bekannten Ordnungsprinzip. Sie waren zwar regelmäßig, wiederholten sich aber nicht. Auf den ersten Blick wirkte die Anordnung chaotisch, der Abstand zwischen manchen Atomen war größer als der zwischen anderen. Shechtman sah also etwas, was es so nicht hätte geben dürfen - eine fünfzählige Symmetrie, die für Kristalle nicht erlaubt war. Vergleichbar mit einem Fußball, der nur aus Sechsecken aufgebaut ist, wo doch eigentlich Fünf- und Sechsecke nötig sind.

Shechtmans Schlussfolgerung: Die Annahmen der Wissenschaft über den atomaren Aufbau von Feststoffen mussten falsch sein. Kein Wunder, dass er sich mit dieser Feststellung keine Freunde machte. Der Chemiker zog den Spott von Kollegen auf sich, ein Institutsleiter überreichte ihm ein Lehrbuch für Kristallografie und empfahl ihm, dieses erst einmal zu lesen. Einen Artikel über seine Entdeckung, den er bei einem wissenschaftlichen Fachjournal einreichte, wurde postwendend abgelehnt. Er sei damals sogar aufgefordert worden, seine Forschungsgruppe zu verlassen, erinnerte sich der frisch gebackene Nobelpreisträger.

Künstler waren schneller

Dabei kannten Künstler längst, was der Chemiker unter dem Mikroskop entdeckt hatte: Islamische Mosaike, wie sie zum Beispiel im mittelalterlichen Alhambra-Palast von Spanien oder dem Darb-i-imam-Schrein aus Isfahan im Iran vorkommen, weisen bereits solche quasikristallinen Muster auf. Und auch in der Mathematik waren sie bekannt - allerdings auch erst seit einigen Jahrzehnten. So präsentierte der britische Mathematiker Roger Penrose 1974 ein wohlgeordnetes Mosaik, das aus nur zwei geometrischen Formen aufgebaut ist. Auch das Muster dieses Puzzles wiederholte sich nicht.

Quasikristalle sind dabei längst nicht nur für die Wissenschaft bedeutend. Sie besitzen Eigenschaften, die sie auch technisch interessant machen. Ihre Härte und Elastizität zum Beispiel. Die Strukturen können hohen Druck und Hitze aushalten, sind aber dennoch biegbar. Seit der Entdeckung Shechtmans haben Wissenschaftler Quasikristalle im Labor hergestellt, aber auch in der Natur entdeckt - zum Beispiel in den Mineralien eines russischen Flusses. Auch in einer bestimmten Art Stahl, dem sie durch ihre dichte Struktur Festigkeit verleihen, konnten sie nachgewiesen werden. Forscher versuchen, Bratpfannen oder Dieselmotoren durch diese Kristalle besonders widerstandsfähig zu machen.

Für Shechtman kam die Ehrung überraschend. Er habe nicht mehr mit dem Nobelpreis gerechnet, ließ er mitteilen. Immerhin liegt seine Entdeckung ja auch schon einige Jahrzehnte zurück. An diesem Morgen im Jahr 1982 sei er nach dem Blick durch das Elektronenmikroskop auf den Flur gerannt, um anderen Wissenschaftlern seine Beobachtungen mitzuteilen, erinnert sich der Chemiker. Doch die Gänge waren noch leer. Shechtman war wohl einfach zu früh dran.

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