14.10.2014

Universität Bayreuth

Enge Zusammenarbeit von Physikern der Uni Bayreuth mit William E. Moerner

Kooperativ, humorvoll, engagiert für den Forschernachwuchs und beeindruckend durch ein enormes Fachwissen – so schildern die Bayreuther Physiker Prof. Dr. Jürgen Köhler und Prof. Dr. Lothar Kador den diesjährigen Chemie-Nobelpreisträger Prof. Dr. William E. Moerner. In entscheidenden Abschnitten ihrer wissenschaftlichen Laufbahn haben sie eng mit ihm zusammengearbeitet. Einige ihrer Publikationen werden ausdrücklich in der Würdigung seiner wissenschaftlichen Leistungen genannt, die die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften anlässlich der Nominierung von William E. Moerner für den Nobelpreis veröffentlicht hat.

Prof. Dr. Lothar Kador leitet am Bayreuther Institut für Makromolekülforschung (BIMF), einem interdisziplinären Forschungszentrum der Universität Bayreuth, eine Arbeitsgruppe zur konfokalen Mikroskopie und konfokalen Mikro-Spektroskopie. Ende der 1980er Jahre war er als Postdoktorand am IBM Almaden Research Center in San Jose in Kalifornien zu Gast. Gemeinsam mit William E. Moerner, der dort sein Mentor war, arbeitete er an der Entwicklung eines spektroskopischen Verfahrens, das erstmals in der Lage ist, einzelne Moleküle in Festkörpern sichtbar zu machen. Die Forschungsarbeiten führten zur erstmaligen Beobachtung eines einzelnen Fluorophor-Moleküls in einem Festkörper – ein Erfolg, der schon damals in der Fachwelt als revolutionär galt und 1989 durch eine gemeinsame wissenschaftliche Publikation gekrönt wurde.

„Alle entscheidenden Forschungsideen, die wir in den IBM-Laboratorien umgesetzt haben, kamen von William E. Moerner, dem ich einen wesentlichen Teil meiner wissenschaftlichen Ausbildung verdanke“, erinnert sich Prof. Kador. „Unsere heutigen Forschungsarbeiten am BIMF wären nicht denkbar ohne die bahnbrechenden Fortschritte, die wir vor gut 25 Jahren in Kalifornien erzielt haben.“

Ein komplexes Experiment zur Einzelmolekül-Spektroskopie
Auch Prof. Dr. Jürgen Köhler hat dort mit William E. Moerner gemeinsam geforscht. Als Postdoktorand an der Universität Leiden in den Niederlanden erhielten er und ein technischer Mitarbeiter 1992 die Chance, in San Jose ein komplexes Experiment zur Einzelmolekül-Spektroskopie zu konzipieren und durchzuführen. „Die Einladung kam sehr kurzfristig und ich kann mich noch gut an unsere hektische Abreise in die USA erinnern. Dort wurden wir von William E. Moerner mit großer Gastfreundschaft in Empfang genommen und wohnten sogar zwei Wochen bei ihm zuhause“, erinnert sich Prof. Köhler.

Das gemeinsame Experiment verlief durchweg erfolgreich, und es gelang, erstmals magnetische Eigenschaften eines einzelnen Moleküls sichtbar zu machen. „Die Zusammenarbeit in den Laboratorien war durchweg freundschaftlich und zwanglos, und wenn jemand einen Fehler machte, trat ein zu diesem Zweck angeschaffter Lachsack in Aktion. Wir alle waren von dem Ziel angespornt, die Leistungsfähigkeit der Spektroskopie so zu steigern, dass sie präzise Einblicke in die Natur bis hinunter auf die Ebene einzelner Moleküle ermöglicht.“

Als die Experimente in Leiden fortgesetzt wurden, gelang es einem Forscherteam mit Prof. Köhler, ein fluoreszenspektroskopisches Verfahren an einem Modellsystem erstmals experimentell umzusetzen. Dieses Verfahren hatte der zweite diesjährige U.S.-amerikanische Chemie-Nobelpreisträger, Prof. Dr. Eric Betzig, bereits in den 1990er Jahren theoretisch vorgeschlagen. Die damals eingesetzten Techniken waren allerdings ungeeignet, die Methode auf biologische Systeme anzuwenden. Dies gelang Eric Betzig erst rund fünf Jahre später.

Entwicklung eines neuen Verfahrens in Bayreuth

Seit September 2000 leitet Prof. Dr. Jürgen Köhler an der Universität Bayreuth einen Lehrstuhl für Experimentalphysik. Hier hat er unter anderem gemeinsam mit Prof. Kador an der Weiterentwicklung der von Eric Betzig vorgeschlagenen Methoden gearbeitet, die molekulare Strukturen in Festkörpern sichtbar machen können. In Kooperation mit einem Forscherteam des Instituts für Spektroskopie an der Russischen Akademie der Wissenschaften haben die Bayreuther Physiker 2009 ein auf der Einzelmolekülspektroskopie beruhendes Verfahren entwickelt, das imstande ist, die Strukturen eines Festkörpers – z.B. eines polykristallinen Materials – unter dem Mikroskop sichtbar zu machen.

„Die Forschungsarbeiten, die in diesem Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis gewürdigt wurden, haben die Grundlagen dafür gelegt, dass sich molekulare Strukturen heute sogar in lebenden Zellen mikroskopisch sichtbar machen lassen. 1873 hatte der Physiker Ernst Abbe erklärt, dass nur solche Objekte unter dem Mikroskop unterschieden werden können, die einen Durchmesser von mindestens 200 Nanometer haben. Diese Auflösungsgrenze haben die heutigen spektroskopischen und mikroskopischen Verfahren, dank der wissenschaftlichen Beharrlichkeit der diesjährigen Nobelpreisträger, weit hinter sich gelassen“, erklärt Prof. Köhler.

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