Physik : Meisterin der kleinsten Teilchen

Stephanie Reich entschlüsselt die Rätsel der Nanotechnik. Die FU hat sie aus den USA nach Berlin geholt

Paul Janositz
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Gut kombiniert. Stephanie Reich schätzt die Grundausstattung und die Ausbildung an deutschen Universitäten. Foto: Thilo Rückeis

Ist Stephanie Reich eine Fantastin? Die Physikerin will den Traum vom Supercomputer Wirklichkeit werden lassen. Sie möchte helfen, Materialien zu schaffen, die extrem leicht und widerstandsfähig sind. Sie möchte exzellente Strom- und Wärmeleiter herstellen, die gleichzeitig perfekte Isolatoren sein können. Ihre Arbeit soll dazu beitragen, eines Tages winzige Packungen U-Boot-gleich in Blutgefäße senden zu können, um im Körper zielgerichtet Medikamente freizusetzen. Und wer weiß, vielleicht wird es eines Tages ein reißfestes Seil geben, das Aufzüge zu Weltraumstationen hochziehen kann.

Wer solche Ziele verfolgt, könnte leicht in Verdacht geraten, eher in einer Märchenwelt zu leben als mit beiden Beinen auf dem Boden der Naturwissenschaften zu stehen. Doch wie eine Wunderfee wirkt Stephanie Reich in ihrem Dahlemer Büro überhaupt nicht. Die 36-jährige Professorin der Freien Universität (FU) Berlin gibt sich vielmehr ganz natürlich. Engagiert und locker erklärt sie ihre Forschung, die sich im Nanobereich, also in Dimensionen von milliardstel Metern abspielt. Humorvoll erzählt sie ihren Werdegang, der für eine Frau in der Welt der Physik immer noch ungewöhnlich ist.

Stephanie Reich macht eine Traumkarriere, die sie gar nicht geplant hat. Doch die Tochter des bekannten Molekularbiologen und Regimekritikers der früheren DDR, Jens Reich, hat beherzt die Chancen ergriffen, die sich ihr boten. Sie forschte an einigen der besten Universitäten der Welt. Als ihr die FU ein großzügiges Angebot machte, kam sie nach Berlin zurück.

Am FU-Institut für Experimentalphysik untersucht sie Materialien, neben denen ein Menschenhaar wie ein riesiger Balken wirkt. Bläst man einen nanogroßen Luftballon auf einen Durchmesser von einem Meter auf, dann ist es so, als hätte man einen Fußball zu Erdkugelgröße aufgepumpt. Die ultrakleinen Partikel und Moleküle sind Grundlage für Hightech-Produkte in Mikroelektronik, Medizin oder Materialforschung.

„In den Nanodimensionen bekommen Materialien neue Eigenschaften“, sagt Reich. So können sich Leitfähigkeiten für Strom oder Wärme rapide ändern. Aus Metallen können Halbleiter werden. Aus Isolatoren entstehen – wenn sie mit Nanopaste eingeschmiert werden – leitende Materialien. Damit kann man beispielsweise heiß gewordene Computerchips effektiv kühlen.

Bei der Beschäftigung mit den Winzlingen ist Reich sehr erfolgreich. Sie wurde oft mit Preisen und Stipendien ausgezeichnet, vom Carl-Ramsauer-Preis 2002 für die Dissertation und dem Karl-Scheel-Preis 2005 der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin über diverse Stipendien für Forschungsaufenthalte an ausländischen Universitäten bis zum Stipendium des Europäischen Forschungsrats (ERC) im Jahre 2008. Damit bekam sie für fünf Jahre insgesamt 1,1 Millionen Euro Fördermittel zur Verfügung. Das hilft, um das Labor für hochauflösende Spektroskopie auszustatten und die Arbeitsgruppe weiter auszubauen.

Zur Nanoforschung kam die Experimentalphysikerin eher zufällig. Es geschah an der Technischen Universität (TU) Berlin, als ihre Doktorarbeit ein wenig ins Stocken geraten sei, erzählt sie. Auf Anregung ihres Doktorvaters Christian Thomsen habe sie sich Messdaten einer Kollegin vorgenommen, die schwer zu interpretieren waren. Sie stimmten mit den theoretischen Voraussagen nicht überein.

Es ging um Nanoröhrchen. Diese auch als „Nanotubes“ bezeichneten Kohlenstoffzylinder waren seit der Entdeckung durch den Japaner Sumio Iijima im Jahr 1991 zum heißen Forschungsthema avanciert. Aus einer oder mehreren Grafitschichten aufgebaut, überraschten sie durch teilweise gegensätzliche Eigenschaften. Sie verhielten sich beispielsweise als Halbleiter und als Metall. Das versprach großes Potenzial für die Anwendung: als maßgeschneiderte, leichte und doch sehr stabile Werkstoffe oder als Bauelemente in der Mikroelektronik.

Wie kommt dieser Quantensprung zustande? Was ist in der Nanowelt grundsätzlich anders als im Mikrokosmos? Als Reich sich erstmals mit Nanomaterialien befasste, war wenig bekannt, wie die physikalischen Eigenschaften mit der mikroskopischen Struktur zusammenhängen.

Eine gängige Untersuchungsmethode ist die Ramanspektroskopie. Dabei wird eine Substanz mit monochromatischem Licht bestrahlt. Die Analyse der Spektrallinien erlaubt Aussagen über chemische und physikalische Eigenschaften des Materials. Das Ramanspektrum liefert quasi den chemischen Fingerabdruck einer Substanz. Die Methode wurde bereits 1928 von dem indischen Physiker Chandrasekhara Raman entdeckt und wird heute dank leistungsstarker Laser und superempfindlicher Detektoren immer bedeutender.

So beugten sich auch die TU-Nanoforscher über die Ramanspektren, um hinter das Geheimnis der Kohlenstoffröhrchen zu kommen. Doch das Liniengewirr ließ sich nicht ohne Weiteres interpretieren. Für bestimmte Effekte gab es keine Erklärungen. Ähnliche Anomalien zeigt Grafit, das Muttermaterial der Kohlenstoffröhrchen. „Normalerweise ist das Spektrum unabhängig von der Farbe des Lasers, den man verwendet“, sagt Reich. Nicht so bei Grafit. Beispielsweise erzeugten blaue Laser bestimmte Peaks an anderen Stellen als rote Laser. Seit 1981 sei über diese Verschiebungen gerätselt worden. „Ich habe zusammen mit meinem Doktorvater die Erklärung gefunden“, sagt Reich. Hinter diesem Satz verbirgt sich ein Paukenschlag, der die Szene aufrüttelte. So kann die Physikerin die Frage, ob man sie als Klassikerin der Nanotheorie bezeichnen könne, trotz eines Lachanfalls nicht verneinen. Tatsächlich sei ihre mittlerweile acht Jahre zurückliegende Veröffentlichung als klassisch zu bezeichnen, sagt sie.

Wie sie das geschafft habe? Im Prinzip sei es ganz einfach, man müsse nur die richtige Idee haben und gut kombinieren können, sagt sie. Es geht um Elektronen, die per Laserlicht angeregt werden. „Bei Grafit oder Kohlenstoffröhrchen gibt es einen ungewöhnlichen Effekt“, erklärt Reich. Die Elektronen bewegten sich durch das Material, als ob sie keine Masse hätten. So kommt es zu speziellen Resonanzen mit den Kohlenstoffatomen. Diese Schwingungen hängen davon ab, welches Elektron ursprünglich durch den Laser anregt wurde, und damit von der Farbe beziehungsweise von der Art des verwendeten Lichts.

Reich hatte die Nuss geknackt, an der sich Forscher zwanzig Jahre lang die Zähne ausgebissen hatten. Doch sie ist keineswegs nur auf Forschung fixiert. Sie hatte sich an der TU als Tutorin und wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Lehre engagiert und in verschiedenen Hochschulgremien mitgewirkt. Daneben schrieb sie Dutzende Veröffentlichungen in angesehenen Zeitschriften. Ein Buch, das sie mit den TU-Kollegen Christian Thomsen und Janina Maultzsch schrieb, entwickelte sich zum Standardwerk für Nanoforscher. Sie erhielt Auszeichnungen und Forschungsaufenthalte, so in Barcelona oder im englischen Cambridge.

Sie habe dort viel gelernt, die Konzentration auf die Anwendung und unternehmerisches Denken, erzählt sie. Dann plante sie, eine eigene Arbeitsgruppe aufzubauen. „Ich wollte in Europa bleiben und habe mich umgesehen“, sagt Reich. Doch deutsche Universitäten waren an dem jungen „Nanogenie“ nicht sonderlich interessiert. Sie hatten keine attraktive Anstellung zu bieten. Ganz anders das Massachusetts Institute of Technology (MIT). Reich wurde per E-Mail aufgefordert, sich um eine Professorenstelle zu bewerben. Sie habe das für einen Scherz gehalten, sagt sie, und zunächst nicht reagiert. Dann kam die zweite E-Mail, und Mitte 2005 übersiedelte die Nanoforscherin in die USA.

„Eliteforscherin für Deutschland verloren“, war der Tenor vieler Berichte damals. Doch die FU-Spitze kämpfte um Reichs Rückkehr. Dabei wurde geklotzt und nicht gekleckert. „Anfang 2006 kam der Anruf von der FU“, sagt Reich. Das Angebot auf die gut ausgestattete Professorenstelle habe „das MIT nicht toppen können“. Dort war sie zunächst befristet beschäftigt worden, mit der Aussicht, in einigen Jahren eine Dauerstelle als Professorin zu bekommen. Ob das gelingt, hängt in den USA vor allem von der Anzahl der Veröffentlichungen und der Höhe der eingeworbenen Drittmittel ab.

Am deutschen System schätzt Reich die gute Grundausstattung für die Forschung. Hier müsse man sich nicht „um jeden Bleistift kümmern“. Auch die „selbstkritische“ Ausbildung an deutschen Universitäten findet sie sehr gut. Im Ausland würden die Absolventen aus Deutschland hoch geschätzt. So hat es sich für Stephanie Reich gut gefügt. „Eine solche Stelle in Berlin war mein Traum“, sagt sie. Ihre Heimatstadt sei ein guter Platz für die Wissenschaft. Hier fühle sie sich sehr wohl. „Hier kann jeder so sein, wie er will“, sagt sie.

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