Chemie-Nobelpreis: Bunte Wunderteilchen für Bildschirme und Medizin

Die Vergabe des Chemie-Nobelpreises begann in diesem Jahr mit einer Panne. Bereits vier Stunden vor der eigentlichen Bekanntgabe seien die Preisträger in einer Mail verkündet worden, die von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften verschickt wurde. Das berichtete die Deutsche Presse-Agentur (dpa), die sich auf schwedische Medien berief.

In der Mitteilung habe gestanden, dass die drei in den USA tätigen Forscher Moungi Bawendi, Louis Brus und Alexei Ekimov den Chemie-Nobelpreis 2023 „für die Entdeckung und Synthese von Quantenpunkten“ erhalten. Eine Sprecherin der Schwedischen Akademie dementierte auf Anfrage diese Auswahl: „Die Akademie hat noch keine Entscheidung getroffen.“

Es habe sich um ein Versehen gehandelt, der Beschluss über die Preisträger sei noch nicht gefasst, erklärten Mitglieder der Akademie. Den Darstellungen zufolge tritt die Akademie für gewöhnlich am Vormittag zusammen, um über verschiedene Kandidaten zu sprechen und dann gemeinsam über die Auswahl der Preisträger zu entscheiden. Mitunter verzögert sich auch die Bekanntgabe.

Forschung dringt immer tiefer in molekulare Strukturen ein

Doch gegen 11.45 Uhr war es dann so weit. Und es stellte sich heraus: Es waren genau die in der Mail Genannten. Damit stellt sich die Frage, ob die Vorgänge in der Akademie wirklich so ablaufen, wie immer behauptet wird – und wie es zu diesem Versehen kommen konnte. Normalerweise gilt absolute Geheimhaltung. Wie sich die verfrüht zu Nobelpreisträgern erklärten Wissenschaftler fühlen würden, wenn schließlich doch noch andere gekürt worden wären, kann man sich denken. „Wir bedauern zutiefst, was passiert ist“, sagte der Generalsekretär der Akademie, Hans Ellegren, bei der Bekanntgabe der Preisträger.

Die drei Chemie-Nobelpreisträger arbeiten alle in den USA und sind Männer. Damit ordnet sich auch der Nobelpreis 2023 in den Trend ein, der seit einiger Zeit immer wieder kritisiert wird. Der weltweit wohl wichtigste Preis in Medizin, Chemie und Physik wird von „angelsächsischen“ Forschern dominiert, allen voran von Wissenschaftlern aus den USA. Von bisher mehr als 640 Nobelpreisträgern in diesen Kategorien sind nur 26 Frauen (in diesem Jahr kamen mit der Biochemikerin Katalin Karikó und der Physikerin Anne L’Huillier zwei dazu). Spitzenforschung findet dagegen heute in vielen Teilen der Welt statt – und viele Teams haben einen großen Anteil von Forscherinnen.

Das in diesem Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis gewürdigte Thema ist wieder hoch speziell. Wie es ohnehin Trend ist, weil Forschung immer tiefer in die molekularen Strukturen eindringt. Dies hat schon die Verkündung der Physik-Nobelpreisträger am Dienstag gezeigt. Drei Wissenschaftler erhielten den Preis für die Entwicklung von Laserblitzen, die nur Milliardstel einer Milliardstel-Sekunde lang sind. Mit solchen ultrakurzen Lichtimpulsen kann man sichtbar machen, wie sich Elektronen bewegen oder ihre Energie ändern.

Entwicklungen in Größenordnungen von Milliardstel Metern

Der Medizin-Nobelpreis wiederum ging am Montag an Wissenschaftler, die die Grundlagen für die mRNA-Technologie entwickelten, auf der unter anderem Corona-Impfstoffe beruhen. Auch hier geht es in die kleinsten Strukturen der Zellen hinein.

Der Chemie-Nobelpreis geht nun an Moungi Bawendi, Louis Brus und Alexei Ekimov, weil sie „einen wichtigen Grundstein für die Nanotechnologie“ gelegt haben, wie die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verkündete. Die drei teilen sich das Preisgeld von in diesem Jahr elf Millionen Schwedischen Kronen (rund 950.000 Euro).

Nano-, diese Vorsilbe steht für Milliardstel. Ein Nanometer ist also ein Milliardstel Meter groß. In diesen Bereichen spielt sich heute die Entwicklung neuester Technologien ab. Beispiele dafür sind Nanomaterialien, zum Beispiel Nanoröhren, die Entwicklung neuartiger Implantate in der Medizin, die Nutzung von Nanopartikeln in verschiedensten Bereichen.

„Jeder, der Chemie studiert, lernt, dass die Eigenschaften eines Elements davon abhängen, wie viele Elektronen es hat“, erklären die Nobel-Juroren. „Wenn Materie jedoch auf Nanodimensionen schrumpft, entstehen Quantenphänomene.“ Dies sind Effekte der Quantenphysik, die sich durch Theorien der klassischen Physik nicht erklären lassen. Die meisten zeigen sich nur unter speziellen Bedingungen und bei Messungen.

Größe der Teilchen bestimmt über Quanteneffekte die Farbe des Glases

„Die Bausteine der Materie – also Atome und deren Bestandteile: Protonen, Neutronen und Elektronen – aber beispielsweise auch Lichtteilchen, zeigen ein gänzlich anderes Verhalten als wir es aus unserer Alltagswelt kennen“, heißt es in einer Darstellung auf dem Internetportal Welt der Physik. Dieser zufolge besitzen Quantenteilchen beispielsweise neben ihren Teilcheneigenschaften auch Welleneigenschaften und scheinen „gleichzeitig an verschiedenen Orten zu sein“.

„Den Nobelpreisträgern für Chemie 2023 ist es gelungen, Teilchen herzustellen, die so klein sind, dass ihre Eigenschaften durch Quantenphänomene bestimmt werden. Die Teilchen, die Quantenpunkte genannt werden, sind mittlerweile von großer Bedeutung in der Nanotechnologie“, erklären die Juroren. Sie bestehen meist aus Halbleitermaterial und werden auch als „künstliche Atome“ bezeichnet, obwohl sie selbst Halbleiter-Nanokristalle aus tausend bis zehntausend Atomen sind.

„Quantenpunkte haben viele faszinierende und ungewöhnliche Eigenschaften. Wichtig ist, dass sie je nach Größe unterschiedliche Farben haben“, sagt Johan Åqvist, Vorsitzender des Nobelkomitees für Chemie. Physiker hätten schon lange gewusst, dass in Nanopartikeln solche von der Größe abhängigen Quanteneffekte auftreten könnten, „doch damals war es nahezu unmöglich, sie in Nanodimensionen zu modellieren“, schreiben die Autoren. „Daher glaubten nur wenige Menschen, dass dieses Wissen in die Praxis umgesetzt werden würde.“

Anfang der 1980er-Jahre jedoch gelang es Alexei Ekimov der Darstellung zufolge, größenabhängige Quanteneffekte in farbigem Glas zu erzeugen. Die Farbe stammte von Nanopartikeln aus Kupferchlorid, und Ekimov zeigte, dass die Partikelgröße über Quanteneffekte die Farbe des Glases beeinflusst. Alexei Ekimov – nach eher gängiger Transkribierung Jekimow – ist ein 1945 geborener Physiker aus Russland. Er forschte Anfang der 1980er-Jahre am Joffe-Institut in Leningrad, heute Sankt Petersburg.

Nobelpreis geht auch an das Joffe-Institut in Sankt Petersburg

1996 wurde Ekimov mit dem Humboldt-Forschungspreis ausgezeichnet und kam zu wissenschaftlichen Gastaufenthalten nach Deutschland, darunter nach Stuttgart und Gießen. Seit 1999 ist er Wissenschaftler bei Nanocrystals Technology Inc., einer privaten Firma in New York, USA. Interessant ist aber zumindest, dass Ekimov die Arbeit, für die er den Nobelpreis erhält, einst in Russland machte. Der Preis geht also auch ans Joffe-Institut in Sankt Petersburg.

Einige Jahre nach Ekimov „gelang es Louis Brus als erstem Wissenschaftler weltweit, größenabhängige Quanteneffekte in frei in einer Flüssigkeit schwebenden Teilchen nachzuweisen“, schreiben die Nobel-Juroren. Brus wurde 1943 in Cleveland, Ohio geboren. Er forschte an den Bell Laboratories und ist heute Professor für Physik und Chemie an der Columbia University in New York.

Quantenforschung

Physik-Nobelpreis für den Nachweis der „spukhaften Fernwirkung“ von Teilchen

1993 wiederum revolutionierte Moungi Bawendi die chemische Herstellung von Quantenpunkten und führte zu nahezu perfekten Teilchen, wie die Juroren mitteilen. „Diese hohe Qualität war für den Einsatz in Anwendungen erforderlich.“ Bawendi wurde 1961 in Paris geboren. Er ist Sohn eines aus Tunesien stammenden Mathematikers. Er studierte in Harvard Chemie und arbeitete als junger Wissenschaftler bei Louis Brus an den Bell Laboratories. Seit 1990 ist er am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge tätig, seit 1995 als Professor.

Doch wo können diese Quantenpunkte eingesetzt werden? Dazu teilen die Nobel-Juroren mit, dass Quantenpunkte heute zum Beispiel Fernsehbildschirme beleuchten, die auf der QLED-Technologie basieren. Die Quantenpunkte werden durch eine Hintergrundbeleuchtung angestrahlt und geben dann ihre Farbe preis. Solche Teilchen können aber auch der Medizin dienen und Chirurgen bei der Entfernung von Tumorgewebe leiten. „Quantenpunkte bringen somit den größten Nutzen für die Menschheit. Forscher glauben, dass sie in Zukunft zu flexibler Elektronik, winzigen Sensoren, dünneren Solarzellen und verschlüsselter Quantenkommunikation beitragen könnten – wir haben also gerade damit begonnen, das Potenzial dieser winzigen Teilchen zu erforschen.“