Gesundheit: Jongleur der Quantenwelt

Matthias Scheffler schiebt den Rechner vor. „Am besten erkläre ich Ihnen alles am Bildschirm“, sagt er. Prompt schaltet er den Computer als Übersetzungshilfe zu und fängt an, durch die Dateien zu zappen.

Alles ist vorbereitet. Der 52-jährige Physiker weiß: Beim Anblick von Computergrafiken und -simulationen lässt es sich nicht nur besser über Dichtefunktionaltheorien und Quantenpunkte plaudern – es lässt sich überhaupt nur so darüber sprechen.

Scheffler ist Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und ein auch im Ausland vielfach umworbener Wissenschaftler. Eben erst hat er den diesjährigen Max-Born-Preis erhalten, eine Auszeichnung, die die Deutsche Physikalische Gesellschaft alljährlich gemeinsam mit dem britischen Institute of Physics verleiht. Er versteht es wie kaum ein anderer, chemische Prozesse mit mathematischen Modellen zu beschreiben.

Dabei hat er den Weg zur Physik als Bastler gefunden. Den Experimenten blieb der gebürtige Berliner zugeneigt, bis er im Studium an der Technischen Universität Berlin mit der Quantenmechanik vertraut wurde. Seither jongliert er mit Atomen im Mikrokosmos wie ein Artist mit Bällen.

So hat es der Jongleur der Quantenwelt geschafft, 1000 Atome gleichzeitig zu bändigen, sie gemeinsam in mathematischen Gleichungen zu erfassen und ihr Verhalten zu beschreiben. Welche chemischen Bindungen jedes dieser Atome eingeht, hängt von der Anordnung der Elektronen ab, die den Atomkern umgeben. „Und wenn man die Ladungsverteilung der Elektronen kennt, werden auch große Systeme aus sehr vielen Atomen handhabbar“, sagt er.

Vor ihm, auf dem Computermonitor, liegen die Atome friedlich beisammen. Grüne und blaue Kugeln sind zu einer Kristalloberfläche aufgereiht, die ganze Bildschirmfläche ist voll davon. Zwischen ihnen blinken hin und wieder ein paar gelbe und weiße Kugeln auf. Sie tauchen für Bruchteile einer Sekunde auf, dann verschwinden sie wieder.

Plötzlich bleiben einige von ihnen liegen und schließen sich zu einer Insel zusammen. An einer anderen Stelle beginnt kurz darauf eine weitere solche Insel zu wachsen. Kugel für Kugel, Atom für Atom, setzt sich hier das Material zusammen, aus dem Leuchtdioden oder kleine Laser gefertigt werden.

Was auf dem Monitor so spielerisch ausschaut, ist die Frucht jahrelanger Berechnungen. Supercomputer der Max-Planck-Gesellschaft haben kalkuliert, wie sich die Partikel auf der abgebildeten Kristalloberfläche anordnen. Und Scheffler hat sämtliche Register Statistik gezogen, um die Simulation des Kristallwachstums und der Oberflächenprozesse in Gang zu setzen.

Besonders gerne führt er in einer kleinen Computeranimation vor, was auf Katalysatoroberflächen vor sich geht, wie sie im Kraftfahrzeug oder in der Industrie eingesetzt werden. Katalysatoren sind hier zum Beispiel Metalle wie Platin, Palladium oder Rhodium. Sie helfen dabei, Sauerstoffmoleküle in ihre Atome zu zerlegen. Die Sauerstoffatome verbinden sich auf den Metalloberflächen viel leichter mit dem giftigen Kohlenmonoxid, das bei der Verbrennung entsteht, und wandeln das Kohlenmonoxid in das weniger schädliche Kohlendioxid um.

Die Katalysatoroberfläche unterstützt derartige Umwandlungsprozesse aber nicht sogleich. „Jeder Katalysator hat eine Einführungszeit“, sagt Scheffler. „In der Industrie sind das Monate. Aber was in dieser Zeit passiert, wussten wir lange Zeit nicht.“

In seiner Computersimulation wird am Beispiel einer Ruthenium-Oberfläche deutlich, was vor sich geht. Während Forscher lange Zeit dachten, das Metall selbst fördere die Reaktionen, wissen sie nun, dass sich die Metalloberfläche dazu zunächst selbst mit Sauerstoff verbinden muss. „Zuerst müssen sich Oxide bilden“, sagt Scheffler. Erst das Metalloxid verhält sich hochgradig reaktiv und setzt die Umwandlung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid in Gang.

Das theoretische Verständnis der Katalysatoren und Halbleiter ist für die Industrie von größter Bedeutung. Und mit dem wachsenden Wissen über die Oberflächenprozesse hat sich auch Schefflers Team erweitert. Aus den ehemals fünf Mitarbeitern sind inzwischen 40 geworden, viele von ihnen Stipendiaten aus aller Herren Länder: aus Argentinien und Brasilien, den USA oder China.

„Als George Bush von der Achse des Bösen sprach, holten wir gerade einen Forscher aus dem Iran in unsere Gruppe“, sagt er. „Wenn der Nobelpreisträger Walter Kohn bei uns zu Besuch ist, sagt er immer: Es ist hier wie bei den Vereinten Nationen.“ Und doch sprechen in Schefflers Team alle dieselbe Sprache: die der Mathematik.