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Wissenschaft im Jugend-Feuilleton der F.A.Z. : Wie werde ich Nobelpreisträger?

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Gerhard Ertl, Chemie-Nobelpreisträger des Jahres 2007 Bild: Andreas Pein

Katalysatoren begegnen uns im täglichen Leben. Die Wirkungsweise eines Katalysators zu untersuchen, kann jedoch ein schwieriger Prozess sein. Wie er sich damit den Nobelpreis verdient hat, beschreibt Gerhard Ertl.

          Chemiker, könnte man meinen, tragen weiße Kittel und stehen im Labor mit einem Reagenzglas in der Hand. Darin vermischen sie eine Reihe übelriechender Substanzen, die plötzlich qualmen. Denn Chemie ist das, was knallt und stinkt. Das war früher so. Heute laufen viele Reaktionen auf Oberflächen von festen Stoffen ab. Und die Chemikalien sind gasförmig. Da ist ein Reagenzglas fehl am Platz. Stattdessen benötigt man eine Vakuumkammer, das Licht eines Lasers, vor allem aber ein Mikroskop.

          Es ist nicht einfach, das Verhalten von Gasen, die aus Atomen und Molekülen bestehen, auf Oberflächen von Feststoffen zu untersuchen. Aber das hat mich gereizt, und neugierig war ich schon immer. Ich habe viele Jahre auf einem Gebiet geforscht, in der Oberflächen fester Stoffe eine große Rolle spielen – in der Katalyse. So bezeichnet man die Fähigkeit vieler Materialien, chemische Reaktionen schneller ablaufen zu lassen, als sie es normalerweise tun würden. Diese Stoffe bezeichnen Chemiker als Katalysatoren. Katalysatoren sind immens wichtig. Ohne sie würde es viele Chemikalien und Medikamente nicht geben. Sie werden zur Gewinnung von Benzin und Diesel aus Erdöl benötigt. Katalysatoren begegnen uns auch im täglichen Leben, in Autos etwa. Meine Kollegen und ich haben uns mit der Herstellung einer anderen Verbindung beschäftigt – mit dem Ammoniak. Ammoniak ist sehr nützlich und wird vor allem zur Herstellung von Düngemitteln, aber auch von Sprengstoffen gebraucht.

          Der Chemiker Fritz Haber hatte vor hundert Jahren einen Weg gefunden, Ammoniak herzustellen. Er ließ Wasserstoffgas und Stickstoffgas bei großer Hitze und einem hohen Druck miteinander reagieren. Ein Katalysator aus dem Metall Osmium setzte die Reaktion in Gang. Damit war zwar das Kochrezept bekannt, es blieb aber rund sechzig Jahre lang ein Rätsel, wie die einzelnen Reaktionsschritte auf der Katalysatoroberfläche ablaufen.

          Bis zum krönenden Ende

          Mit den üblichen chemischen Verfahren ließen sich die Vorgänge auf einer Oberfläche nicht verstehen. Wir mussten uns deshalb eines ganzen Arsenals von neuen Techniken bedienen, die Physiker speziell für die Untersuchung von Halbleitern, den Materialien für Computerchips, entwickelt hatten. Vor allem benötigten wir ein Vakuum, das besser war als das Vakuum im Weltraum. Denn weder Staub noch Moleküle der Luft durften die Oberfläche des Katalysators verunreinigen. Die Gase mussten zudem fein dosiert in die Vakuumkammer eingelassen werden.

          Es hat zehn Jahre gedauert, bis wir herausgefunden hatten, wie es den Eisenkörnchen gelingt, Wasserstoff- und Stickstoffatome zu Ammoniak zu verbinden. Das läuft wie folgt ab: Wenn Wasserstoff und Stickstoff auf die Eisenoberfläche treffen, bleiben sie haften. Dabei entstehen so starke Bindungen zwischen dem Katalysator und den Molekülen, dass sich die Wasserstoffatome und Stickstoffatome voneinander lösen und fortan an das Eisen binden. Die Atome können nun leicht miteinander reagieren. Dabei verbindet sich jeweils ein Stickstoffatom mit drei Wasserstoffatomen zu einem Ammoniak-Molekül, das die Katalysatoroberfläche verlässt.

          Durch die behutsame Zugabe von Wasserstoff- und Stickstoffgas konnten wir obendrein den Hemmschuh der Reaktion entlarven. Es war der Stickstoff. Er spaltet sich viel langsamer als der Wasserstoff. Wir haben entdeckt, wie sich der Stickstoff schneller knacken lässt. Man muss dem Eisen noch etwas Kalium hinzugeben. Kalium hat die Eigenschaft, die Wirkung des Katalysators zu verstärken. Die Arbeit war ein großer Erfolg: Vor zwei Jahren habe ich den wichtigsten Preis erhalten, den ein Wissenschaftler erhalten kann – den Nobelpreis.

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