Von Bageln, (schwedischen) Brezeln und molekularen Motoren

Announcement of the Nobel Prize in Physics 2016
Announcement of the Nobel Prize in Physics 2016

Was Brötchen, Bagel und (schwedische) Brezeln mit Physik zu tun haben, hat Professor Thors Hans Hansson, Mitglied des Komitees für den Physiknobelpreis im Oktober bei der Bekanntgabe der diesjährigen Preisträger eindrucksvoll demonstriert. Sein Frühstück musste herhalten zur Veranschaulichung der wissenschaftlichen Hintergründe des Preises an David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane und J. Michael Kosterlitz für die theoretische Entdeckung topologischer Phasenübergänge und topologischer Materiephasen. Da steckt sehr viel Mathematik dahinter, weshalb das Komitee auch betont, dass der Preis für theoretische Entdeckungen verliehen wird. Diese Theorien haben schöne Mathematik und tiefe Einsichten in die Physik zusammengebracht, was zu unerwarteten Ergebnissen geführt hat, die experimentell bestätigt werden konnten.

Meine Kollegin Mila Runnwerth (unsere Fachreferentin für Informatik und Mathematik) erläutert den mathematischen Anteil des Nobelpreises mit Tassen und Bageln, konkret:

„Die Topologie erklärt zwei Gegenstände als „gleichartig“, wenn sie die gleiche Anzahl an Löchern haben. Die Spielregeln lauten, dass man einen Gegenstand verbiegen, dehnen und quetschen darf, aber niemals zerreißen, indem man ein neues Loch bohrt oder ein bestehendes Loch zerpflückt. Solche gleichartigen Gegenstände sind homöomorph. TopologInnen sind scharf darauf, Gegenstände in gleiche Klassen zu sortieren (hat 1 Loch, hat zwei Löcher usw.). Das sieht man den Gegenständen nicht immer leicht an. Das berühmte Bsp: Ein Donut und eine Tasse sind in der Topologie gleichartig, weil beide genau ein Loch haben. Man sagt auch, ein Donut und eine Tasse sind topologisch invariant bezüglich eines Loches.“

Diese Ansätze haben die Nobelpreisträger dann auf vorher nicht beschreibbare Zustände und Zustandsänderungen in der Festkörper- bzw Quantenphysik übertragen, die sich nun mit Hilfe der topologischen Phasen und ihren Übergängen nachvollziehen lassen.

Und sie waren Inspiration für die Forschung nach neuen Materialien für neue Anwendungen, insbesondere in der Elektronik und auf dem Gebiet der Quanteninformation. „Exotic Matter in the Quantum World.“

Mir sind die Arbeiten zu diesen Themen bisher tatsächlich etwas exotisch vorgekommen, die Bandbreite der thematischen Ausrichtung (Mathematische Physik, Quantenphysik, Magnetismus, Halbleiter, Supraleiter, …) ist riesig. (Weshalb sich die Arbeiten für die Physik auch nicht gut an einer Stelle unserer Basisklassifikation zusammentragen lassen.) Häufig aber steht die Dimension der betrachteten Systeme im Vordergrund, die dann die Phasenzustände und -übergänge bestimmt.

Buch von Thouless aus dem TIB-BestandDie Veröffentlichungen von ThoulessHaldane und Kosterlitz lassen sich gut im TIB-Portal (Suchraum TIB für Forschung und Unternehmen) finden.

Zu Topolog[ischen] Phase[n] findet man mehr als 30.000 Veröffentlichungen im TIB-Portal.

Und wie schön: David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane und J. Michael Kosterlitz publizieren (selbstverständlich) auch auf arXiv!

Wer sich eingehender mit der schönen Mathematik, die hinter den Arbeiten von Thouless, Haldane und Kosterlitz steckt, beschäftigen möchte, wird hier im TIB-Portal fündig, als Einstieg können folgende Titel hilfreich sein – mit Dank an Mila Runnwerth:

Natürlich haben auch in diesem Jahr die Wissenschaftsredaktionen unserer Medien wieder Informationen zum Nobelpreis zusammengetragen. Gut erläutert werden die Hintergründe u.a. bei Zeit Online, SZ und Deutschlandfunk.

Announcement of the Nobel Prize in Chemistry 2016
Announcement of the Nobel Prize in Chemistry 2016

Auch für die diesjährigen Chemienobelpreisträger Bernard Feringa, Jean-Pierre Sauvage und Fraser Stoddart wurde zur Veranschaulichung von molekularen Maschine mit Gebäck gearbeitet. Professor Sara Snogerup Linse, Chair des Nobelpreiskomitees für Chemie zeigte, wie Bewegung und Rotation auf molekularer Ebene funktioniert in dem sie zwei ineinander verschlungene Bagels zeigte. Nur die ineinander verschlungenen Moleküle bringen die Funktion der kontrollierten Bewegung mit sich in dem sie chemische Energie in Rotation umwandeln. Einzeln sind die Moleküle dazu nicht in der Lage.

Den Nobelpreis für Chemie erhalten die drei Chemiker für das Design und Synthese von molekularen Maschinen. Sie haben es geschafft im Labor sogenannte Nanomaschinen zu entwerfen, die mit Zufuhr von Energie Bewegungen ausführen können. Somit wurde die Grundlage für die weitere Entwicklung von beispielsweise Muskeln, Autos oder Motoren im Nano-Maßstab auf molekulare Ebene geschaffen.

Die Preisträger haben dabei unterschiedliche Wege bestritten, um Moleküle in Bewegung zu setzen. Den Anfang machte Jean-Pierre Sauvage von der Universität Strasbourg, der Moleküle über eine mechanische Bindung ineinander verknüpfte. Publikationen von Sauvage finden sich auch beim uns im TIB Portal (TIB für Forschung und Unternehmen).

Fraser Stoddart von der Northwestern University in Evanston (Illinois gelang es Rotaxane entlang einer Achse zu bewegen. Eine Publikation dazu wurde 2006 in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Als letztes entwickelte Ben Feringa von der Universität Groningen einen molekularen Motor. Durch Lichtimpulse gelingt eine kontinuierliche Bewegung der Moleküle in eine Richtung. Die Aufbau eines Nanoautos gelang über die Kopplung mehrerer dieser rotierenden Moleküle. In unserem Portal (Suchraum TIB für Forschung und Unternehmen) findet sich hierzu eine ganze Reihe von Publikationen.

Und natürlich gibt auch für den Nobelpreis der Chemie in den Medien einige wissenschaftliche Beiträge. In der Zeit aber auch im Spiegel gibt es einführende Artikel zum Hintergrund der Forschung.

In dieser Woche war nun die Nobel Week 2016. Die Nobel Prize Award Ceremony wird heute Nachmittag stattfinden. Ihre Preis-Vorträge hatten die Laureaten natürlich vorher zu halten, und zwar am 8.12.2016 – und hier wurden u.a. die Unterschiede zwischen schwedischen und deutschen Bretzeln und ihre Verwandschaft zu Catenanen erläutert.

  • Nobel Lectures in Physics
    Duncan M. Haldane, Princeton University, NJ, USA: Topological Quantum Matter
    Michael Kosterlitz, Brown University, Providence, RI, USA: Topological Defects and Phase Transitions
  • Nobel Lectures in Chemistry
    Jean-Pierre Sauvage, University of Strasbourg, France: From Chemical Topology to Molecular Machines
    Sir Fraser Stoddart, Northwestern University, Evanston, IL, USA : Design and Synthesis of Molecular Machines based on the Mechanical Bond
    Bernard L. Feringa, University of Groningen, the Netherlands: The Art of Building Small, from molecular switches to motors

 

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Esther Tobschall

Esther Tobschall

... ist Fachreferentin für Physik und zuständig für die Nationale Kontaktstelle im Netzwerk arXiv-DH