Durch geschicktes Ausschalten störender Einflüsse hat Gerhard Ertl herausgefunden, was an Katalysator- Oberflächen abläuft. Dafür erhält er den diesjährigen Nobelpreis für Chemie.
eigentlich wollte Gerhard Ertl am 13. Dezember einen Chor am Cembalo begleiten. Das hätte bestens in das Bild gepasst, das seine Kollegen Hans-Joachim Freund und Helmut Knözinger in einer Festschrift von ihm zeichneten. Denn als Ertl 2004 altersbedingt seinen Posten als Direktor des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft aufgab, schrieben sie: „Er ist bekannt als ein exzellenter Pianist, und wir sind sicher, dass er mit seiner Frau Barbara, seinen zwei Kindern und seinen drei Enkeln die Musik genießen wird.” Doch nun wird Ertl am 13. Dezember in Schweden unterwegs sein, wo er mit König Carl XVI. Gustaf zum Abendessen verabredet ist. Und mit der familiären Beschaulichkeit ist es auch nicht mehr weit her, seit das Nobelpreiskomitee ihn am 10. Oktober, seinem 71. Geburtstag, „für seine Studien von chemischen Prozessen an festen Oberflächen” zum Gewinner kürte.
An der Oberfläche von Metallen und anderen Feststoffen spielen sich viele bedeutsame Vorgänge ab, etwa das Rosten von Eisen und der Abbau von Ozon durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) an Eiskristallen in der oberen Atmosphäre. Bei diesen Prozessen brechen an einer Oberfläche Moleküle auseinander und gruppieren sich um, verlassen Atome ihre Partner und suchen sich neue. Besonders verwirrend für den Beobachter ist: Oberflächen überziehen sich an der Luft sofort mit einer „Haut” aus Gasmolekülen. Sie werden durch den Oberflächenkontakt so aktiviert, dass sie Bindungen miteinander eingehen – in vielen unterschiedlichen Reaktionen, die gleichzeitig ablaufen: ein chemisches Tohuwabohu, das lange rätselhaft blieb.
Ertl erkannte Ende der Sechzigerjahre, welche Chance die Vakuumtechniken boten, die damals gerade in der Halbleiterindustrie entwickelt wurden: Im nahezu luftleeren Raum einer Vakuumanlage lassen sich Oberflächenvorgänge ungestört studieren. So begann er, den Atomen und Molekülen mit vielen spektroskopischen Methoden auf den Leib zu rücken, die alle eines gemeinsam haben: Die Oberfläche wird zunächst mit Teilchen – Photonen oder freien Elektronen – beschossen. Die Partikel schlagen Elektronen aus den Atomen auf der Oberfläche entweder ganz heraus, sodass sich deren Energie direkt messen lässt, oder sie stupsen sie zumindest an. Kehren diese Elektronen in ihren Ausgangszustand zurück, geben sie Energie in Form von Licht ab, das sich nachweisen lässt. In beiden Fällen verrät die Messung die Art des getroffenen Atoms und gleichzeitig, ob es mit einem anderen gleichartigen Atom in einem Molekül zusammensitzt oder allein auf der Oberfläche ist. Gerhard Ertl zeigte, wie die Kombination unterschiedlicher experimenteller Techniken „das komplette Bild einer Oberflächenreaktion liefern kann”, so das Nobel-Komitee.
Mit dieser Methode nahm Ertl zum Beispiel das Haber-Bosch-Verfahren unter die Lupe. Benannt nach den Erfindern Fritz Haber und Carl Bosch – ihrerseits Chemie-Nobelpreisträger 1918 und 1931 –, ist es bis heute der entscheidende Schritt bei der Mineraldüngerherstellung. Es verwandelt den Stickstoff der Luft durch Reaktion mit Wasserstoff in Ammoniak. Damit diese Reaktion mit hoher Ausbeute ablaufen kann, muss fein verteiltes Eisen als Katalysator anwesend sein. Obwohl das Haber-Bosch-Verfahren bereits vor dem Ersten Weltkrieg entwickelt wurde, war bis Anfang der Siebzigerjahre unklar, wie die Reaktion im Detail abläuft. Ertl wies nach, dass sich die zwei Atome des Stickstoffmoleküls auf der Eisenoberfläche voneinander trennen können, obwohl ihre Verbindung zu den stärksten in der Chemie gehört. Ertl stellte außerdem fest, dass diese Trennung der langsamste Teilprozess der gesamten Reaktion ist – eine wichtige Information, wenn man das Verfahren verbessern will.
Ertl wählte immer wieder erfolgreich die Strategie, seine Untersuchungen nicht an industriellen Katalysatoren, sondern modellhaft an Oberflächen von hochreinen Kristallen durchzuführen. „Lösungsansätze durch weitestgehende Vereinfachung” – dieses Prinzip ist für den Bonner Chemie-Professor Klaus Wandelt das Erfolgsrezept seines ehemaligen Doktorvaters Ertl. Das Nobel-Komitee charakterisiert den Laureaten als ausdauernden, systematischen und akribisch genauen Forscher: Tugenden, die als typisch deutsch gelten. Er selbst lässt auf den Forschungsstandort Deutschland nichts kommen, wie aus vielen Interviews hervorgeht. In den Ferien zog es ihn allerdings schon oft in die Toskana – aber auch das ist schließlich für viele Deutsche typisch. ■
Frank Frick
Ohne Titel
1901 bis 1910
1902: Hermann Emil Fischer 1905: Johann Friedrich Wilhelm Adolf von Baeyer 1907: Eduard Buchner 1909: Wilhelm Ostwald 1910: Otto Wallach 1911 bis 1920 1915: Richard Martin Willstätter 1918: Fritz Haber 1920: Walther Nernst 1921 bis 1930 1925: Richard Zsigmondy 1927: Heinrich Wieland 1928: Adolf Windaus 1930: Hans Fischer 1931 bis 1940 1931: Friedrich Bergius, Carl Bosch 1938: Richard Kuhn 1939: Adolf Butenandt 1941 bis 1950 1944: Otto Hahn 1950: Kurt Alder, Otto Diels 1951 bis 1960 1953: Hermann Staudinger 1961 bis 1970 1963: Karl Ziegler 1967: Manfred Eigen 1971 bis 1980 1973: Ernst Otto Fischer 1979: Georg Wittig 1981 bis 1990 1988: Johann Deisenhofer, Robert Huber, Hartmut Michel 1991 bis 2000 — seit 2001 2007: Gerhard Ertl
Anders als die Physiker haben die deutschen Chemiker an internationaler Reputation verloren. In den letzten 50 Jahren gingen 9 Chemie-Nobelpreise an Deutsche – davor waren es 20.
