Die wandelbare Energie der Moleküle

Text: Sven Titz

Wie verändern sich Gasmoleküle beim Aufprall auf Metalloberflächen? Der amerikanische Chemiker Alec Wodtke, einer der weltweit führenden Experten in der Energieforschung, will dieser Frage in Göttingen nachgehen. Der mehrfach ausgezeichnete Wissenschaftler beobachtet, wie die elektrisch neutralen Teilchen schwingen oder kreiseln, und bringt diese Ergebnisse in die Katalyseforschung ein.

Schnellen Schrittes läuft Alec Wodtke durch ein Labor im Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen, wo seine jungen Mitarbeiter forschen. Er zeigt auf ein silbrig glänzendes Gerät, das aussieht wie ein Teil eines Schiffsmotors. „Daraus wird eine Vakuumkammer“, sagt der US-Chemiker. Seit April 2010 etabliert Wodtke zwei Arbeitsgruppen an
der Universität und am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, lässt Instrumente installieren und bereitet Projekte vor. In Kürze sollen die Experimente starten.

Wodtke forscht unter anderem mit Laser, Gasmolekülen und einer Oberfläche aus Gold, alles installiert im Hochvakuum. Mit diesen Mitteln will er herausfinden, wie chemische Reaktionen an Oberflächen ablaufen. Besonders gerne arbeitet der Chemiker mit Stickoxid, das Wodtke mit Laserstrahlen zum „Sprechen“ bringt: Gezielte Energieschübe versetzen das Molekül in Vibrationen. Dann schwingt es wie eine Feder oder dreht sich wie ein Kreisel rasend schnell um sich selbst. Im Experiment wird das Molekül auf eine Goldoberfläche gelenkt und dabei beobachtet. Die Vibrationen beeinflussen wesentlich, wie die chemisch-energetischen Veränderungen des Moleküls ablaufen, wenn es auf die Oberfläche trifft.

Chemische Theorien testen

Lange hätten sich Chemiker bei solchen Prozessen auf die Born-Oppenheimer-Näherung verlassen, erläutert Wodtke. Das ist eine quantenmechanische Beschreibung des molekularen Zustands, wonach Atomkerne als statische Objekte betrachtet werden, was sie in Wirklichkeit nicht sind. Vor ein paar Jahren wies Wodtke zusammen mit anderen Forschern nach, dass die Näherung speziell beim Aufprall von Molekülen an Metalloberflächen nicht greift.

Dort kommt es zu vielfältigen Umwandlungen – die Energieform wechselt zwischen chemischer Energie, elektrischer Energie und Wärmeenergie. Für bahnbrechende Studien dieser Art ist der Chemiker mit dem Presidential Young Investigator Award der National Science Foundation und dem Humboldt-Forschungspreis ausgezeichnet worden. Seine Erkenntnisse könnten helfen, Prozesse von der Sorte zu verstehen, um Sonnenlicht in eine für den Menschen nutzbare Energie umzuwandeln und chemische Sensoren zu konstruieren. Beispielsweise geht die Entwicklung von Sensoren für Spurengase wie Wasserstoff auf solche Forschungsarbeiten zurück.

Alec Wodtke und seine Mitarbeiter wollen ihre neuen Experimente in Göttingen mit modernen Methoden wie der Laserspektroskopie auswerten. Der Chemiker hofft, dabei die universellen Regeln zu entdecken, die diese Umwandlungsprozesse steuern. Mit seiner Grundlagenforschung lassen sich künftig eventuell Experimente sparen. Beispielsweise suchen Forscher ständig nach neuen katalytisch wirkenden Substanzen, die gewünschte chemische Reaktionen beschleunigen. Früher ging man dabei nach dem Prinzip „Versuch und Irrtum“ vor. Doch diese Zeiten sind vorbei. „Anhand der Kenntnisse, die unsere Tests liefern, können Theoretiker eventuell chemische Reaktionen vorhersagen, die bisher unbekannt waren“, erklärt er.

Von Salt Lake City nach Göttingen

Als er sein Studium begann, war nicht zu ahnen, dass aus dem Amerikaner ein Spitzenchemiker werden würde. Wodtke interessierte sich für Anthropologie und lernte etwas Hebräisch. Doch dann fing er Feuer – in Vorlesungen über physikalische Chemie. „Ich erkannte, dass man damit vielfältige Forschungsfragen angehen konnte“, erzählt er. Nach Deutschland kam er erstmals
1986 als Postdoktorand und arbeitete am damaligen Max-Planck-Institut für Strömungsforschung in Göttingen.

Schon damals überlegte der Amerikaner, dauerhaft in Deutschland zu bleiben. Doch dann entschied er sich für eine Stelle an der University of California in Santa Barbara, wo er später Full Professor wurde. In Kalifornien bracht ihm der IBM-Wissenschaftler Daniel Auerbach die Oberflächenforschung nahe. Dort machte er nebenbei auch unternehmerische Erfahrungen mit einer Firma im Bereich der Genforschung. Und nun ist er doch in Deutschland angekommen: Die Auszeichnung als Humboldt-Professor sowie das Angebot der Universität und des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen überzeugten ihn davon, dass seine Zukunft in der traditionsreichen deutschen Universitätsstadt liegt. Wodtke findet seine Stelle mit den sich bietenden Möglichkeiten „super“ und die Stadt auch. In Göttingen ist ein Zentrum zur Erforschung von Energieumwandlungen geplant, daran ist Wodtke maßgeblich beteiligt. Außerdem baut er eine Partnerschaft mit chinesischen Forschern auf. Vor allem aber genießt der Chemiker die Zusammenarbeit mit den exzellenten Kollegen an der Universität und am Max-Planck-Institut. Befriedigend ist für ihn auch die Gelegenheit zum Unterrichten, denn schließlich liebäugelte er früher einmal damit, Lehrer zu werden: „Mit jungen Leuten zu tun zu haben ist aufregend – und hält hoffentlich jung.“