Fünf Achsen der Symmetrie - Nobelpreis für Entdeckung von Quasikristallen

Der israelische Physiker Daniel Shechtman erhält 2011 den Nobelpreis für Chemie.

Cupalit-Kristall
Cupalit-Kristall

Stockholm (Schweden) - Mit dem Nobelpreis für Chemie wird in diesem Jahr der israelische Physiker Daniel Shechtman ausgezeichnet. Bereits im April 1982 entdeckte er erstmals sogenannte Quasikristalle aus einer speziellen Aluminiumlegierung. Der atomare Aufbau dieses Materials widersprach allen bis dahin gültigen Lehrsätzen, nach denen sich Atome in Kristallen immer in einem streng symmetrischen, periodischen Gitter zusammen lagerten. Shechtmans Entdeckung eröffnete einen fundamental veränderten Blick auf die Welt der festen Materie, begründet das Stockholmer Nobelpreis-Komitee seine Wahl.

Begeistert von seiner damaligen Entdeckung während eines Aufenthalts an der amerikanischen Johns Hopkins University, arbeitet Shechtman noch heute auf dem Gebiet der Quasikristalle, am israelischen Forschungszentrum Technion in Haifa. "Anfangs wurde seine Entdeckung sehr kontrovers diskutiert und er wurde zum Verlassen der Forschungsgruppe aufgefordert, um seine Ergebnisse zu verteidigen", heißt es in der Presseerklärung der Königlichen Akademie der Wissenschaften in Stockholm. Doch es dauerte nicht lange, bis er die globale Gemeinschaft der Festkörperforscher zum Überdenken ihrer offensichtlich veralteten Vorstellung von Kristallen brachte.

Quasikristalle zeichnen sich meistens durch eine sogenannte Ikosaeder-Symmetrie aus. Diese Raumstruktur hat eine kantige Oberfläche aus 20 gleichseitigen Dreiecken. Im Unterschied zu klassischen Kristallen wie im Kochsalz oder Diamant haben Ikosaeder fünf Symmetrieachsen. Nicht nur dieser ungewöhnliche Aufbau macht heute Quasikristalle für die Grundlagenforschung interessant: So verblüffen die meistens im Labor gezüchteten Minerale mit physikalischen Eigenschaften, die keine andere Materialklasse aufweist. Zum Beispiel nimmt ihre elektrische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zu statt ab und empfiehlt sie dadurch für neue elektronische Bauteile.

Sogar in der Natur kommen Quasikristalle vor. Vor zwei Jahren berichteten italienische und amerikanische Wissenschaftler von diesem überraschenden Fund in den Karyak-Bergen auf der Kamschatka-Halbinsel in Ostsibirien. Sie analysierten ein Mineral aus Aluminium, Kupfer und Eisen und entdeckten dabei eine fünffache Symmetrie. Für natürliche Kristalle galt dieser Aufbau bis dahin als nicht möglich. "Solche Quasikristalle haben Symmetrien, die für periodisch aufgebaute Kristalle verboten sind, die fünffache Symmetrie mit eingeschlossen", berichteten Luca Bindi von der Universität Florenz und seine Kollegen von der Princeton University. Aber genau diesen Aufbau zeigten die gefundenen Minerale - Khartyrkit und Cupalit - unter dem Elektronenmikroskop und in Strukturuntersuchungen mit gebeugten Röntgenstrahlen. Bisher gelang die Synthese von verschiedenen Quasikristallen nur unter Laborbedingungen. In freier Natur galten sie als nicht stabil.