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Immer kleiner, immer feiner

VON SWANTJE WALLBRAUN

In Braunschweig machen Forscher messbar, was keiner vor ihnen gemessen hat. Zum Beispiel die Farbe von Licht.

Immer kleiner, immer feiner© Physikalisch-Technische BundesanstaltSelbst unter dem Mikroskop ist die Größe der winzigen Nanopartikel schwer zu ermitteln
Der Bildschirm zeigt nur Flecken. Das ist alles, was das knapp zwei Meter hohe Rasterelektronenmikroskop in der roten Flüssigkeit erkennt, die Tobias Klein aus seinem Reagenzglas geträufelt hat. Mit feinen Strahlen tastet das Gerät die Probe ab. »Die Flecken sind Nanopartikel«, erklärt der Physiker und rückt die Plastikhaube zurecht, die er trägt, damit keine Haarschuppe die Flüssigkeit verunreinigt. »Ich versuche, sie möglichst genau zu vermessen.« Tobias Klein, 28, ist Doktorand an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Rund 650 Wissenschaftler arbeiten hier, vor allem Physiker und Ingenieure, aber auch Chemiker und Biologen. Hinter den gepflegten Klinkerfassaden gehen sie einer Arbeit nach, von der viele gar nicht ahnen, dass sie notwendig ist: Sie tüfteln an neuen Messverfahren oder wachen über die Zulassung von Messgeräten. Denn wenn die Industrie neue Produkte entwickelt, reichen die bisherigen Techniken und Instrumente häufig nicht aus, um deren Eigenarten vollständig zu erfassen. Genau das ist aber wichtig, um nationale und internationale Normen zu erarbeiten.

Nanopartikel sind heute schon in vielen Haushaltsprodukten zu finden. Sie schützen Jacken vor Nässe oder helfen, Tomatenketchup zu verdicken. Damit Mediziner und Toxikologen ihre Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt systematisch erfassen können, müssen sie die Größe der verschiedenen Teilchen kennen. Erst dann können sie erforschen: Wirken kleinere Partikel besser als größere? Mit welchen Teilchen ist das Produkt am verträglichsten und wirkt trotzdem noch gut? Tobias Klein leistet dafür die Vorarbeit. Die Größe der winzigen Nanopartikel ist schwer zu ermitteln, selbst unter dem Mikroskop erscheinen ihre Ränder verschwommen. Klein und seine Kollegen haben deshalb ein Computerprogramm entwickelt, das aus dem Grauwert des Bildes genau berechnen kann, wo das Teilchen aufhört und wo der Hintergrund anfängt. Da auf jedem Bild nur vier Partikel zu sehen sind und jedes von ihnen einzeln vermessen wird, dauert es einen ganzen Tag, bis eine einzige Probe analysiert ist.

Tobias Klein aber wird nicht ungeduldig. Er genießt die Vorteile seiner Arbeit. »Die Bedingungen sind hier erheblich besser als an der Universität«, sagt Klein. Das Mikroskop muss er sich nur mit zwei anderen Kollegen teilen - in vielen Physik-Fakultäten müsste er sich einen solchen Laborplatz schon Tage im Voraus reservieren. Das Bundeswirtschaftsministerium, dem die PTB unterstellt ist, stattet die Behörde mit einem großzügigen Budget aus: 163 Millionen Euro hatte sie 2009 zur Verfügung, hinzu kamen Drittmittel, etwa von der Europäischen Union. Dafür gehört die PTB in ihrem Fachgebiet, der Metrologie, auch zu den angesehensten Instituten der Welt. Lediglich ihr amerikanisches Pendant, das National Institute of Standards and Technology (NIST), kann auf vergleichbare Ressourcen zurückgreifen.

Zuerst einmal muss der Messplatz selbst entwickelt werden

Nur wenige Flure von Kleins Arbeitsraum entfernt steht Thorsten Gerloff in einem 40 Meter langen, schwarz gestrichenen Labor, in dessen Mitte eine Schiene verläuft. Auf dieser Schiene bringt der Chemiker seine Messgeräte in unterschiedliche Abstände zu Glühlampen und Leuchtdioden; er kann seine Testobjekte drehen und neigen, um sie aus verschiedenen Winkeln zu untersuchen, oder Tageslicht-Einstrahlung simulieren. »Etwa ein Drittel meiner Arbeit besteht darin, den Messplatz selbst zu entwickeln«, erklärt er. Gerloff, 33, vermisst organische Leuchtdioden, sogenannte OLEDs. Die schadstofffreien Lampen könnten künftig in Bildschirmen, Displays und als Raumbeleuchtung genutzt werden - das Problem: Je nachdem, aus welchem Blickwinkel man eine weiße OLED betrachtet, erscheint das Licht grünlich oder orangefarben, und je nach Qualität der OLED sind die Farbunterschiede größer oder geringer. »Bisher gibt es keine Kennzahl, mit der man dieses Phänomen beschreiben kann«, sagt Gerloff. Er will nun eine messtechnische Norm für OLEDs entwickeln. So könnten die Verbraucher schon beim Kauf einer Diode durch die Kennzeichnung auf der Verpackung erkennen, wie stark sich die Lichtfarbe verändern kann.

Dazu arbeitet Gerloff mit dem Deutschen Institut für Normung (DIN) zusammen, das die gleichnamigen Standards erstellt. Außerdem leitet er ein technisches Komitee bei der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE), die für international geltende Normen im Zusammenhang mit Licht zuständig ist. Das Licht einer roten Ampel zum Beispiel hat dank der CIE in vielen Ländern exakt dieselbe Farbe. Gleichzeitig pflegt Gerloff engen Kontakt zu den Herstellern der OLEDs. »Ich vertrete in den internationalen Gremien immer auch die deutsche Industrie«, sagt er. Wenn zwei Normungsverfahren zur Debatte stünden, die beide für Verbraucher vernünftige Ergebnisse liefern, würde er für das plädieren, das vorteilhaft für die deutschen Produkte ist. Auch wenn die PTB sich vor allem als Dienstleister für Verbraucher und Industrie versteht - in den Laboren auf dem einen Quadratkilometer großen Gelände wird auch Grundlagenforschung betrieben. So versucht Hansjörg Scherer seit etwa zehn Jahren, mithilfe der Quantenmechanik eine Naturkonstante für die Stromstärke zu ermitteln. »Für elektrische Spannung und Widerstand sind solche Konstanten schon nachgewiesen, nur für die Stromstärke steht der erfolgreiche Beweis noch aus«, erklärt der 45-jährige Physiker. Um ihn zu führen, leitet er in seinem Labor Strom durch Schaltungen, die kleiner als ein tausendstel Millimeter sind. Sie müssen in einem speziellen Apparat, einem Kryostaten, mit flüssigem Helium auf fast minus 270 Grad Celsius gekühlt werden. Dann zählt er, wie viele der Elektronen, die durch die Schaltung flitzen, am Ziel ankommen - und versucht daraus Rückschlüsse zu ziehen, wie er seinen Versuchsaufbau weiter verfeinern und variieren muss, um am Ende eine Messgröße zu erhalten. Nur etwa eines von zehn Millionen Teilchen verliert er bei seinen Messungen aus den Augen.

Die Erkenntnisse könnten das Ampere neu definieren

Projekte wie dieses sind eher die Ausnahme an der PTB. Trotzdem tragen auch sie dazu bei, dass die Behörde unter Metrologen einen so guten Ruf genießt, denn sie erlauben es den Physikern, ihre Messmethoden immer weiter zu verfeinern. Die geläufigen Basiseinheiten für Länge, Zeit und Masse basieren ja auf menschlichen Definitionen - die jeweils so exakt sind, wie es der Stand der Wissenschaft erlaubt. Die Sekunde zum Beispiel wurde früher aus der Dauer der Erdumdrehung hergeleitet, als Bruchteil eines durchschnittlichen Sonnentags. Heute definiert man sie mithilfe des Cäsiumatoms. Es sendet elektromagnetische Wellen aus, die weit verlässlicher sind als die Bewegung der Erde. Die Erkenntnisse, die Scherer und seine Kollegen über elektronische Quanteneffekte sammeln, könnten eines Tages dazu beitragen, die Einheit Ampere neu zu definieren.

Aber auch wenn Quantenelektroniker in der ganzen Welt gespannt auf Scherers Ergebnisse warten: »Einen Nobelpreis kann man damit nicht gewinnen«, sagt er achselzuckend. Obwohl sich die Braunschweiger Physiker nicht hinter ihren Kollegen vom Max-Planck-Institut verstecken müssen. Nur hat sich das Nobelpreiskomitee in den vergangenen 50 Jahren für Präzisionsmessung nicht interessiert - und das ist es nun einmal, was die Forscher vom PTB am besten können.

Aus DIE ZEIT :: 13.01.2011

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