Jahresr�ckblick

Mit Argusaugen unsichtbar in eine energische Zukunft

Die Quarks wurden nicht gespalten, die fundamentalen Kr�fte nicht vereint, und sowohl Dunkle Materie als auch Dunkle Energie hat niemand erhellt. Auf den ersten Blick scheint das vergehende Jahr unser Wissen um physikalische Vorg�nge und deren technische Anwendung nicht vorangebracht zu haben. Und auf dem zweiten? F�r scharfe Blicke und besondere Arten der Fortbewegung hat 2007 jedenfalls einiges getan. Und es gab Grund zu feiern.

Forschung ist meist eine Frage des Sehens. Ein get�pfeltes Waldhuhn ist erst dann entdeckt, wenn Sie es beobachtet oder gar fotografiert haben. An das Wasser auf dem Mars glauben wir vorsichtshalber nicht, bevor wir es tats�chlich flie�en oder zumindest einen aus dem Eis gebauten Schneemann sehen. Und das Mindeste, was forschende Kollegen auf der ganzen Welt verlangen, um Vertrauen in eine Messung zu fassen, ist eine sch�ne Kurve, die nach M�glichkeit ihre eigenen Theorien st�tzt. Sehen ist seit Jahrtausenden ein wichtiger Schritt zum Wissen � und mehr sehen darum ein Tor zu mehr Wissen.

Neue (Un)Sichtbarkeiten

Besondere Bedeutung hat das Sehen in der Welt des Unsichtbaren gewonnen. Atome und Molek�le haben Ausma�e im Bereich von Milliardstel Metern. Bei weitem zu klein f�r unser mesoskopisch spezialisiertes Auge und dennoch seit Erfindung des Mikroskops das Ziel der optischen Entwicklung, die sich l�ngst nicht mehr auf Licht im klassischen Sinne beschr�nkt. Elektronen, R�ntgenstrahlung und seit rund einem Viertel Jahrhundert sogar tunnelnde Elektronen zeigen uns inzwischen, was wir eigentlich nicht erkennen k�nnen.

Der Trick bei diesem Tunneln besteht darin, den verr�ckten Regeln der Quantenphysik zu folgen und eine Barriere zu �berwinden, die eigentlich un�berwindbar ist. Theoretisch k�nnte das jeder, allerdings mit so unglaublich kleinen Erfolgschancen, dass sich in der Praxis nur Kernbausteine Hoffnungen machen d�rfen, wirklich vom A zum klassisch verbotenem B zu gelangen. Bekannt ist dieser Tunneleffekt schon lange, aber erst im April ver�ffentlichten Physiker um Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut f�r Quantenoptik einen Artikel, in welchem sie beschreiben, wie sie Elektronen live beim Tunneln beobachtet haben. Mit Laserlicht schubsten sie die Elektronen von Neon-Atomen herum, bis diese davontunnelten und ionisierte Atomr�mpfe zur�cklie�en.

**Ein Mikroskop, das in Molek�le hineinschaut**

Bewegen sich die tunnelnden Elektronen auf Grund einer hohen elektrischen Spannung in geordneten Bahnen, flie�t mit ihnen ein kleiner Tunnelstrom. Beim Rastertunnelmikroskop tastet ein Computer damit die Oberfl�che einer Probe ab. Vorausgesetzt, sie leitet den elektrischen Strom – Isolatoren wie etwa organische Molek�le bleiben unter der modernen Extremlupe unbekannte Felder. Bis im M�rz Amin Bannani, Christian Bobisch und Rolf M�ller von der Universit�t Duisburg-Essen ihre Ergebnisse mit den ballistischen Tunnelelektronen ver�ffentlichten. Dabei handelt es sich um jene Tunnler, die an der Probe vorbeigehen oder sie vollst�ndig durchqueren. Die Leitf�higkeit verliert so an Bedeutung, es kommt vor allem darauf an, wo das Objekt sich befindet und wie sehr es die anfliegenden Elektronen bremst. Womit beispielsweise organische Molek�le bei der neuen Rasternahfeld-Elektronendurchsicht-Mikroskopie nicht nur sichtbar werden, sondern sogar Einblick in ihr Inneres gew�hren.

Nicht das reine Aussehen eines Molek�ls, sondern seine chemische Identit�t interessierte ein Team um Renato Zenobi von der ETH Z�rich. Daf�r eignet sich besser Laserlicht, von dem ein geringer Anteil in der Probe je nach deren Aufbau inelastisch gestreut wird, was sich als Farb�nderung verr�t. Im Februar verrieten die Schweizer, wie sie dieses schwache Raman-Spektrum so weit verst�rkten, dass sich damit sogar einzelne Molek�le identifizieren lie�en: Sie betteten die Probe auf eine Goldplatte und brachten eine feine Silberspitze in die N�he. Das reichte aus, um nur die Signale von einer Fl�che mit zehn Milliardstel Metern Kantenl�nge aufzufangen. Und das ist bei sorgf�ltiger Pr�paration der Stellplatz f�r ein einziges Molek�l.

Winzige Ausma�e sind jedoch nur die eine H�lfte des atomaren und molekularen Films. Die andere besteht aus extremen Geschwindigkeiten. Wo Atome reagieren, ist in tausendstel milliardstel Sekunden (Pikosekunden) alles vorbei. So schnell k�nnte man vielleicht mit R�ntgenlicht gerade noch schauen – wenn man denn w�sste, zu welchem Zeitpunkt die Handlung des Streifens einsetzt. F�r derartig kurze Verg�nglichkeiten haben David Mark Fritz vom Stanford Linear Accelerator Center und seine Kollegen im Februar die richtige Kamera beschrieben. Sie setzten einen elektrooptischen Kristall an den riesigen Teilchenbeschleuniger, dessen Elektronen die R�ntgenstrahlung erzeugen sollten. Beim Vorbeikommen ver�nderten die Elektronen die Eigenschaften des Kristalls, was ein Laserstrahl registrierte und an den hundert Meter entfernten Versuchsaufbau meldete. Ein drahtloser Fernausl�ser also, mit dem bereits ein Kurzfilm �ber die Reaktion von Bismut-Atomen auf die Anregung mit Laserlicht gelungen ist. Geniale Technik, die anscheinend nur noch auf ein passendes Drehbuch wartet.

Darin k�nnten zur Abwechslung mal nicht die Proben unsichtbar sein, sondern die Wissenschaftler. Den Weg zur entsprechenden Technologie haben unter anderem die Forscher um Vladimir Shalaev von der Purdue University im April teilweise geebnet. Sie f�hrten die Arbeit anderer Gruppen aus den vorhergehenden Jahren fort und entwickelten einen Tarnmantel, der einfallendes Licht einfach um sich herum leitet. F�r den suchenden Beobachter erg�be dies den Eindruck, der Mantel und alles darunter sei schlichtweg unsichtbar. Wenigstens, solange der Raum nur mit rotem Licht geflutet ist, denn die Tarnvorrichtung des Teams funktioniert bislang nur bei einer einzigen Wellenl�nge, die uns rot erscheint. Keine wirkliche Unsichtbarkeit, aber immerhin der Schritt in den Bereich des sichtbaren Unsichtbaren. Die Modelle aus den Vorjahren hatten n�mlich nur f�r Mikrowellen funktioniert.

Fortschritte im Nanoma�stab

**Stab in negativ brechender Fl�ssigkeit**

Ihre partielle Unsichtbarkeit verdanken Shalaev und andere Wissenschaftler weniger den klassischen optischen Stoffen als vielmehr so genannten Metamaterialien. Eigentlich handelt es sich bei diesen um filigrane Meisterwerke der Nanotechnik. Der Tarnmantel f�r Rot ist beispielsweise ein Zylinder mit hauchd�nnen Nadeln und �hnelt somit einer Haarb�rste. Mit kleinsten Strukturen und Schwingkreisen manipulieren die Metamaterialien die magnetischen und elektrischen Felder des Lichts und lenken es so auf Bahnen, die bis vor kurzem undenkbar waren. So brechen sie einfallendes Licht mit extrem kleinen oder gar negativen Brechungsindizes in die falsche Richtung und machen damit erst die Tarneinrichtungen m�glich.

Noch kleinere Strukturen lie�en sich eventuell eines Tages mit den "Nanobuds" aufbauen, �ber die ein internationales Team von Forschern um Albert Nasibulin von der Technischen Universit�t Helsinki im Februar berichtet hat. Mit Hilfe von Eisen-Katalysatoren hatten sie aus Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid Mix-Molek�le von fu�ballf�rmigen Fullerenen und langgestreckten Nanor�hrchen geschaffen. Unter dem Elektronenmikroskop erweckten sie den Eindruck von St�bchen mit festen Bl�schen und Knubbeln. Bestimmt nicht sch�n, aber vielleicht eines Tages n�tzlich, wenn die Nanotechnik nach vielf�ltigen Bausteinen sucht.

Sp�testens dann wird sie auch wieder an die Nanobatterie denken, von welcher die Welt im April erfuhr. Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology und seine Kollegen hatten diese aus einer Art "Nagelbrett" mit feinsten Zinkoxid-Dr�hten und einer Platin-Elektrode hergestellt. Sobald sie mit Ultraschall an dem Aufbau r�ttelten und die Nanodr�hte auf das Platin stie�en, verbogen sie sich und wandelten die mechanische Energie in eine elektrische Spannung. Dieser piezoelektrische Effekt sollte nach Hochrechnungen der Wissenschaftler f�r eine Leistung von zehn Mikrowatt pro Quadratzentimeter ausreichen. In der Zukunft, versteht, sich, wenn die Nanobatterie in Serie produziert wird und in unseren K�rpern allerlei Maschinchen antreibt, die uns zu besseren Menschen machen.

Energie auf neuen Wegen

Dass wir gerade in Punkto Energie sehr schnell sehr viel besser werden sollten, haben die peinlichen Klimakonferenzen des Jahres 2007 zur Gen�ge bewiesen. Um dennoch m�glichst wenig an unserem Lebensstil zu �ndern, klammern wir uns gerne an Teill�sungen wie den Energietr�ger Wasserstoff. Gleich zu Anfang des Jahres stellten drei Arbeitsgruppen ihre Verbesserungen an Brennstoffzellen vor, in denen Wasserstoff aus einem Speicher mit Luftsauerstoff verbrannt wird. Aber selbst falls diese Technologie es tats�chlich in den Alltag schaffen wird, l�st sie nicht das eigentliche Problem: Wo soll die Energie �berhaupt herkommen? Denn auch Wasserstoff w�chst nicht auf dem Acker.

Das tun aber nachwachsende Rohstoffe, die reich an Kohlenhydraten sind. Nur weigern sich leider die extra daf�r ausgesuchten Hefen, aus den Zuckern vom Feld mehr als zwanzig Prozent Alkohol f�rs Auto zu produzieren. Zusammen mit der geringen Energiedichte des Ethanols sorgt das f�r eine schwache Konkurrenz des Biosprits gegen die Kraftstoffe aus Erd�l. Im Juni schlugen Chemiker wie James Dumesic von der Universit�t von Wisconsin-Madison und Conrad Zhang aus dem Pacific Northwest National Laboratory darum vor, dem Zucker auf chemischem Wege einen Gro�teil seines Sauerstoff zu entrei�en und so eine dritte Variante von Treibstoff zu entwickeln. In mehreren Schritten wandelten sie Glukose und Fruktose in Verbindungen mit wohlklingenden Namen wie 2,5-Dimethylfuran und Hydroxymethylfurfural. Aus letzterem lie�e sich sogar Kunststoff synthetisieren, wof�r Erd�l ja ebenfalls Ausgangsstoff ist. Nur beim Tanken wird es dann ein wenig komplizierter, wenn wir uns entscheiden m�ssen zwischen Furan und Furfural.

Aber solange es noch Erd�l gibt, wird die Menschheit sich wohl danach verzehren. Oder Bakterien mit der Aufgabe betrauen, wie im Dezember bekannt wurde. Steve Larter von der Universit�t Calgary hat zusammen mit Geowissenschaftlern und Mikrobiologen aus unterirdischen Lagerst�tten von z�hem Schwer�lschlamm die entsprechenden einzelligen Experten isoliert und untersucht. Sie entschl�sselten dabei ein Musterbeispiel von Teamarbeit, in dem der eine Bakterienstamm ausscheidet, was dem n�chsten als Nahrung dient. Ein Prozess, der gut, wenn auch sehr langsam abl�uft. Mit ein wenig unterst�tzenden N�hrstoffen k�nnte man ihn jedoch beschleunigen, hoffen die Forscher. Und zur Belohnung Methan ernten – oder gleich Wasserstoff, wenn man noch ein bisschen weiter in das schmierige Biosystem eingreift.

Da w�re es vielleicht viel versprechender, unsere eigenen Umwelts�nden nutzbringend anzuzapfen. Immerhin wissen wir seit Mai, dass Schimmelpilze in Tschernobyl ihren Energiehaushalt mit ionisierender Strahlung betreiben. Cladosporium sphaerospermum hei�t der einfallsreiche Pilz aus dem Katastrophenreaktor, der es den Forschern um Ekaterina Dadachova vom Albert Einstein College of Medicine angetan hat. Er nutzt den Farbstoff Melanin, um auf noch unbekannte Art und Weise die intensive Gammastrahlung seines Lebensraums anzuzapfen. Es gibt eben f�r jeden Schaden innovative Konzepte, die noch einen �berraschenden Nutzen hervorzaubern. Das l�sst doch hoffen, oder?

Vorankommen auf bew�hrte Weise

Falls alles zu sp�t sein sollte, werden wir uns demn�chst wieder auf die konventionellen Arten fortbewegen m�ssen. Wenigstens deckt die Biomechanik allm�hlich auf, wie Gehen eigentlich geht. Oder Schwingen. Orang-Utans sind darin Meister, wie Susannah Thorpe von der Universit�t Birmingham im April verriet. Zum Springen sind die Affen n�mlich zu schwer, und auf den Boden wollen sie auch nicht. Also wackeln sie auf einem elatischen jungen Baum geschickt hin und her, bis der sich ausreichend weit biegt, um bequem den Platz zu wechseln. Eine Energie sparende Variante, um von Baum zu Baum zu gelangen. Springen h�tte beim gleichen Gewicht zwei- bis dreimal so viele Kalorien verbraucht, und der Weg �ber den Fu�boden gar das Zehn- bis Zwanzigfache.

Eleganter h�tte es nat�rlich ausgesehen, die Affen w�ren geflogen. Doch den Luftraum haben unter den S�ugetieren nur die Flederm�use so richtig erobert. Im Mai haben wir von Anders Hedenstr�m von der Universit�t Lund und seinen Kollegen erfahren, wie die Flattertiere sich �berhaupt in der Luft halten. Denn der Flug mit H�uten unterscheidet sich deutlich von der gefiederten Variante, die V�gel praktizieren. An einer Tr�nke in einem nebligen Windkanal lauerten die Forscher ihren Spitzmaus-Langz�nglern mit f�cherf�rmigen Laserstrahlen auf, die jeden Wirbel erfassten. Es zeigte sich, dass viel Koordinationsverm�gen n�tig ist f�r einen gelungenen Fl�gelschlag. Bei der Aufw�rtsbewegung muss die Schwinge n�mlich gekippt und gleichzeitig nach hinten geworfen werden, um keinen Abtrieb zu erzeugen. Eine Methode, die f�r technische Flugautomaten viel zu kompliziert und anstrengend w�re.

Im Gegensatz zu der Laufweise von Amphibien. Die demonstrierte ein Roboter bereits im M�rz. Ein Tem um Auke Jan Ijspeert von der Biologically Inspired Robotics Group der Ecole Polytechnique F�d�rale von Lausanne lie� ihn am Genfer See im typischen Schl�ngelschritt marschieren, bei dem jeweils die diagonalen Beinpaare gleichzeitig bewegt werden, und schwimmen, wobei sich der ganze K�rper schl�ngelt. Dazwischen gibt es f�r echte Amphibien wie f�r den gelben Plastik-Nachbau nichts. Auf dieses Entweder-Oder kam es den Wissenschaftlern an. Und so simulierten sie mit ihrem Roboter nicht nur die Bewegungsweise, sondern auch die neuronale Verschaltung der Tiere. Mit Erfolg und dem Fernziel, eines Tages Roboter zu bauen, die selbstst�ndig verschiedene Bewegungsformen vollf�hren k�nnen.

Sonst blieben Robbi und seine Freunde ja ewig so unbeweglich wie Pflanzen. Obwohl die ebenfalls gerne unterwegs sind, wie wir seit Mai wissen. Rivka Elbaum und ihr Team vom Max-Planck-Institut f�r Kolloid- und Grenzfl�chenforschung berichteten �ber die Struktur und Funktion der Grannen von Weizenk�rnern, denen man zuvor nur balancierende Aufgaben zugetraut hatte. In Versuchen zeigte sich, dass die Fasern auf der Innen- und Au�enseite der Granne sich bei �nderungen der Feuchtigkeit unterschiedlich stark ausdehnen und zusammenziehen. Dadurch spreizen sie sich w�hrend des trockenen Tages am Samen auseinander und klappen in der feuchteren Nacht zusammen. Im Zeitraffer ergibt dies eine Bewegung, die verbl�ffend dem Beinschlag eines schwimmenden Frosches �hnelt. Und ein entsprechendes Resultat hat: Je nach Lage des Samens wandert er ein kleines St�ckchen �ber den Boden oder gr�bt sich in die Erde.

Auch wenn die Sensationen im Jahr 2007 ausgeblieben sind, haben Physik und Technik sich mit Affen, Robotern und Weizenk�rnern also doch von der Stelle bewegt und einige Anst��e gegeben f�r weitere Forschung. Und dar�ber hinaus gab es gleich zweimal besonderen Grund zu feiern: Nobelpreisehren gingen an deutsche Forscher. So erhielt Gerhard Ertl, Physiker des Berliner Fritz-Haber-Instituts den Chemie-Nobelpreis daf�r, die Grundlagen der modernen Oberfl�chenchemie gelegt zu haben, indem er den Ablauf wichtiger chemischer Reaktionen auf Oberfl�chen im Detail beschrieb. Der ber�hmte Anruf erreichte ihn just an seinem 71. Geburtstag. Und Peter Gr�nberg vom Forschungszentrum J�lich und sein franz�sischer Kollege Albert Fert wurden daf�r ausgezeichnet, jenen magnetischen Effekt entdeckt zu haben, der uns heute Festplatten im Giga-Byte-Bereich und mehr erm�glicht. Mal sehen, was im kommenden Jahr geboten wird.