Chemie-Nobelpreis für Entdecker der Quasikristalle

Den diesjährigen Nobelpries für Chemie erhält der Entdecker der sogenannten Quasikristalls, einer Kristallform, deren Atomanordnung zuvor als unmöglich galt. Daniel Shechtman vom Technion – Israel Institute of Technology in Haifa hatte eine solche Substanz beim Experimentieren mit einer Metalllegierung aus Aluminium und Mangan entdeckt. Entgegen normalen Kristallen wiederholt sich bei Quasikristallen das Muster der Atomanordnung nicht in immer gleicher Form. Stattdessen führt die Symmetrie zu immer neuen Mustern.

Als Daniel Shechtman am 8. April 1982 in einem Labor des National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA seine neueste Probe per Elektronenbeugung analysieren wollte, traute er zunächst kaum seinen Augen. Denn die schnell abgekühlte Schmelze aus Aluminium und Mangan zeigte ein „unmögliches“ Atommuster. Zu sehen waren konzentrische Ringe aus jeweils zehn hellen Flecken, die in gleichen Abstand um ein Zentrum gruppiert waren. Der Theorie nach konnte es eine solche Anordnung in einem Kristall aber gar nicht geben. Auch in den Internationalen Tabellen für Kristallografie, dem Referenzwerk für solche Untersuchungen, kam dieses Muster nicht vor.

Eine unmögliche Fünffach-Symmetrie

Weitere Untersuchung der Probe stellte Shechtman fest, dass die zugrundeliegende Kristallstruktur fünffach symmetrisch sein musste. Auch das galt als unmöglich, da dann einige Atome im Kristall näher zusammenliegen müssten als andere ihrer Sorte. Eine periodische Wiederholung des immer gleichen Musters wäre damit nicht möglich, die neu entdeckte Anordnung war nicht periodisch. Als der Forscher seine Ergebnisse Kollegen und Vorgesetzten vorstellte, glaubten diese an methodische Fehler.

Doch Shechtman blieb bei seinem Standpunkt, etwas Neues entdeckt zu haben. Der Konflikt eskalierte schließlich soweit, das ihm sogar nahelegt wurde, seine Arbeitsgruppe lieber zu verlassen. Ein bei der renommierten Fachzeitschrift „Journal of Applied Physics eingereichter Fachartikel wurde 1984 umgehend abgelehnt. Zwar hatten in dieser Zeit auch andere Physiker in ihren Laboren immer wieder einmal ähnlich verwirrende Muster mit zehn und mehr konzentrischen Punkten beobachtet. Sie schrieben dies aber Messfehlern oder zu Doppelkristallen verwachsenen Proben zu.

Fünffach-Symmetrie von Atomen in einem Quasikristall: Die Atome haben zwei unterschiedliche Abstände zueinander. © Nobel Foundation

Ein Fliesenmuster bringt Aufklärung

Erst die Verbindung von Shechtmans Beobachtung mit einem Prinzip aus der Mathematik verhalf dem Forscher endgültig zur Rehabilitation: Der Mathematiker Roger Penrose hatte bereits in den 1970er Jahren entdeckt, dass sich aus nur zwei unterschiedlichen Fliesen ein endloses, sich niemals wiederholendes Muster erschaffen lässt. Zwei Physiker, die Shechtmans Manuskript zur Begutachtung erhalten hatten, erkannten hier eine mögliche Parallele: Wie die beiden Fliesen in Penroses Muster könnten auch in Shechtmans Kristall zwei verschiedene Atomabstände in wechselnder Anordnung das Muster ergeben. Eine fünffache Symmetrie wäre damit durchaus möglich.

1992 führte dies dazu, dass die Internationale Union für Kristallografie ihre Definition der Kristalle an Shechtmans Entdeckung anpasste: Als Kristall gilt seitdem nicht mehr nur eine Substanz mit Grundbausteinen, die ein regelmäßiges, sich wiederholendes dreidimensionales Muster bilden. Stattdessen wird nun alles zu dieser Materiegruppe gezählt, das „ein diskretes Diffraktionsbild“ erzeugt.

Heute werden Quasikristalle nicht nur in vielen Labors weltweit routinemäßig erzeugt und beobachtet. Auch in natürlich vorkommenden Mineralien haben Forscher inzwischen solche Kristallformen entdeckt. Eine schwedische Firma nutzt die ungewöhnliche Symmetrie solcher Stoffe sogar praktisch: Quasikristalle machen eine von ihnen erzeugte Stahlform besonders widerstandsfähig.

(Nobel Foundation, 05.10.2011 – NPO)