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Nobelpreise in Quantenphysik und Nanotechnologie

Nobel-Preis 2016

Bildmaterial: pixabay.com | CC0

News - Der Nobelpreis 2016 in Physik ging an die Briten David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz für ihre Grundlagenforschung bei der Suche nach exotischen Materialzuständen und den Nobelpreis in Chemie erhielten ebenfalls drei europäische Forscher, der Franzose Jean-Pierre Sauvage, der Brite Sir J. Fraser Stoddart und der Niederländer Bernard L. Feringa für die Entwicklung der ersten molekularen Maschinen.

1. Quantenphysik

Exotische Materialzustände treten bei sehr tiefen Temperaturen auf, die nahe dem absoluten Temperatur-Nullpunkt liegen (minus 273 Grad Celsius). Materialien zeigen dann Phasenübergänge, die in der Alltagswelt unbekannt sind. Die Phasenübergänge eines Materials sind die Übergänge von fest zu flüssig oder von flüssig zu gasförmig. Das gilt für Wasser aber beispielsweise auch für Metalle, etwa Kupfer oder Eisen oder auch ganz allgemein für alle anderen Stoffe. Bei sehr tiefen Temperaturen, nahe dem absoluten Temperatur-Nullpunkt, können Materialien jedoch supraleitend oder suprafluide werden und dann ganz andere Phasenübergänge zeigen.

Helium oder auch andere Edelgase, die derart stark abgekühlt werden, können dann etwa Wände hochkriechen oder durch sehr kleine Ritzen strömen, die so eng sind, dass durch sie nicht einmal Gase entweichen könnte. Diesen Zustand bezeichnet man dann als "Suprafluidität". Viele Metalle, aber auch andere Materialien werden "supraleitend", d.h. ihr elektrischer Widerstand fällt beim Unterschreiten der sogenannten Sprungtemperatur abrupt auf null.

Zur Beschreibung dieser exotischen Zustände nutzten die Forscher Methoden aus der Topologie, ein Teilgebiet der Mathematik, die die Eigenschaften mathematischer Strukturen beschreibt, die auch unter Verformungen erhalten bleiben.

Die Erkenntnisse der Forscher könnten dabei helfen, eines Tages neuartige elektronische Bauteile für Quantencomputer zu entwickeln.

2. Nanotechnologie

Wenn es um die Konstruktion sehr kleiner Maschinen geht, denkt man üblicherweise eher an Physik und weniger an Chemie. Liegt die Größe dieser Miniatur-Maschinen jedoch im Molekül-Bereich, ist die Trennung nicht mehr so eindeutig, insbesondere im Bereich der Molekülphysik. Daher wird teilweise je nach Schwerpunktsetzung zwischen physikalischer Chemie und chemischer Physik unterschieden. Ein weiterer und immer häufiger in diesem Zusammenhang genutzter Begriff ist die "Nanotechnologie". Der diesjährige Chemie-Nobelpreis ging nun an drei Forscher, die auf diesem Gebiet, eben der Nanotechnologie, wichtige Fortschritte erzielten, indem sie Moleküle entwickelten, deren Bewegungen sich steuern ließen.

Den Durchbruch bei der Entwicklung molekularer Maschinen gelang Jean-Pierre Sauvage, als er 1983 erstmals zwei ringförmige Moleküle wie die Glieder einer Kette miteinander verband. 1991 setzte Fraser Stoddart ein ringförmiges Molekül auf eine Achse, die nur aus einem einzelnen Molekül bestand und ließ den Ring entlang der Achse bewegen.

Bernard Feringa baute 1999 den ersten molekularen Motor, als er seine Konstruktion aus Molekülen dazu brachte, sich in dieselbe Richtung zu drehen. Daraus entwarf er später auch ein so genanntes "Nanoauto", indem er vier seiner molekularen Motoren an einen zentralen Träger montierte. Um das Nanoauto zu bewegen, erhielt es Stromimpulse über die Spitze eines Rastertunnelmikroskops.

Die Erkenntnisse der Forscher könnten dabei helfen, eines Tages Nanoroboter zu konstruieren, die über die Blutbahn in den menschlichen Körper injiziert werden, um dann selbständig ihren Weg zu einem vorher festgelegten Ort zu finden und dort geschädigte Zellen zu reparieren, etwa bei der Behandlung von Krebs.

 
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