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Auf den Schultern des Riesen
Vor 100 Jahren – im Herbstsemester 1912 – nahm Hermann Staudinger seine Tätigkeit an der ETH Zürich auf und entwickelte die grundlegende Vorstellung von Makromolekülen. Die Materialwissenschaftler von heute haben dem Begründer der Polymerwissenschaft und späteren Nobelpreisträger einiges zu verdanken.
In einem Steinbruch nahe bei Zürich knallte es so gewaltig, dass der Schlag bis nach Paris zu hören gewesen sei. Der umtriebige Hermann Staudinger hatte versucht, künstliche Diamanten herzustellen, in dem er in einem Druckbehälter Tetrachlormethan und metallisches Natrium zur Explosion brachte. Dieser Versuch misslang gründlich. Doch Hermann Staudinger lieferte auf einem anderen Gebiet – der makromolekularen Chemie – den Zündstoff, der einen ganzen Wissenschaftszweig erschütterte. «Es ist wie bei der Reformation – Martin Luther hat auch nichts Neues gesagt – aber wie Luther ist es Staudinger gelungen, wesentliche Ideen zu komprimieren und systematisieren. So kam es zu einem Paradigmenwechsel in den Wissenschaften», beschreibt Ueli Suter, emeritierter Professor für Makromolekulare Chemie, Staudingers Bedeutung in der Wissenschaftsgeschichte.
Staudinger, der im Herbstsemester 1912 seine Arbeit an der ETH Zürich aufnahm, gilt als Begründer der makromolekularen Chemie. Bereits 1922 – das belegen nicht zuletzt Vorlesungsnotizen seiner Studenten aus den ETH-Archiven – spricht Staudinger von Makromolekülen. Er war als Erster davon überzeugt, dass es diese Bausteine mit einer relativ grossen Molekülmasse (über 1000 g/mol) geben muss und sie es sind, die sich in – praktisch unendlichen Wiederholungen – zu Polymerketten zusammenschliessen können. Den Begriff «Polymere» gab es zwar schon vorher, aber Staudinger hat ihm eine neue, unmissverständliche Bedeutung gegeben. Früher verstand man unter Polymeren eine grosse Ansammlung von Molekülen, die sich spontan zu kolloidalen Partikeln zusammenlagern. Wer heute von Polymeren spricht, meint meistens die synthetischen Polymere – umgangssprachlich schlicht Kunststoffe genannt. Aber erst wenn man sich vor Augen führt, dass auch Proteine, Nukleinsäuren und andere natürliche Stoffe wie Zellulose und Kautschuk aus Makromolekülen aufgebaut sind, wird klar, wie bedeutend Staudingers Entdeckung war.
«Schmierenchemie» ist Zeitverschwendung
Wie der Reformator Luther wurden auch Staudinger und seine Ideen von der Gemeinschaft abgelehnt. «Für viele Wissenschaftler war es schlicht undenkbar, dass es ein Molekül geben soll, dass eine bestimmte Molekularmasse übersteigt. Es gab Kollegen, die Staudinger rieten, doch nicht seine Zeit mit dieser Schmierenchemie zu vergeuden», erzählt Dieter Schlüter, Professor für Polymerchemie an der ETH Zürich. Das Misstrauen Staudinger gegenüber blieb lange bestehen, obwohl dieser bereits in seiner Zeit an der ETH nachweisen konnte, dass Kautschuk, den er hydrierte, um die Kohlenstoffdoppelbindungen zu entfernen, die kolloidalen Eigenschaften behielt – ein eindeutiger Beweis, dass seine Theorie der Makromoleküle richtig war.
Kein Gräuel mehr unter Kollegen
Hans Christian Öttinger, Professor für Polymerphysik an der ETH Zürich, betont, dass Staudinger zwar ein Gigant in der Forschung war, aber eben nicht mit allem richtig lag. «Staudinger stellte sich die Polymere als gestreckte Ketten vor, heute wissen wir, dass sie in Lösung und Schmelze Knäuel bilden», erklärt Öttinger. Dabei hätte Staudinger nur die Theorie seines Basler Kollegen Werner Kuhn ernst zu nehmen brauchen, der das Verhalten von Fadenmolekülen in Lösungen untersuchte und dabei Wesentliches zur Knäuelung und Entknäuelung von Polymeren entdeckte. Doch diesen theoretischen Ansatz nahm Staudinger nicht zur Kenntnis, noch an seinem 60. Geburtstag wurde gescherzt: «Die Kuhnschen Knäuel sind uns hier ein Gräuel.» Ganz anders sieht die Situation heute an der ETH Zürich aus: Polymerphysiker, -chemiker und -technologen arbeiten eng zusammen, um die theoretische und experimentelle Ebene miteinander zu verzahnen.
Staudinger heute?
Und wie gross ist Staudingers Einfluss auf die Polymerforschung von heute? Riesige Fortschritte sind in der Polymertechnologie gemacht worden. Das ist vor allem für die Industrie interessant, die so auf ganz neue Produkteigenschaften zurückgreifen kann. ETH-Polymertechnologe Paul Smith arbeitet mit Polymeren, deren Länge präzise definiert ist. Diese können optimal verarbeitet werden, ohne dass dabei Abfallprodukte entstehen. Man erhält so ultra-verschleissfeste Polymere, die zum Beispiel in der medizinischen Implantate-Industrie Verwendung finden.
Aber nicht nur in der Anwendung, sondern auch bei
grundlegenden Fragen der makromolekularen Chemie werden erstaunliche
Erkenntnisse gewonnen. Dieter Schlüter forscht an neuartigen zweidimensionalen Polymeren,
die sich nicht mehr linear als Kette, sondern als eine Art Teppich ausbreiten (vgl. ETH
Life vom 13.02.2012). «Wir arbeiten konkret mit der Staudingerschen Überlegung, dass es sich
wiederholende Einheiten braucht, um solche Polymere beschreiben zu können», sagt
Schlüter. Um das Potenzial dieser Forschung ausnützen zu können, kommen die
Polymerphysiker ins Spiel. Sie müssen überprüfen, ob Staudingers Konzepte, die für
lineare Polymere entwickelt wurden, auch gültig für zweidimensionale Polymere
sind.
Polymerphysiker Hans Christian Öttinger forscht unter anderem an der Frage, was passiert, wenn man die Makromoleküle in Lösung bringt oder aufschmilzt. Wie verändern sich dabei die Fliesseigenschaften? In der Forschung hat man Staudingers Vorstellungen von Polymeren dahingehend weiterentwickelt, dass man ein besonderes Augenmerk auf die Dynamik innerhalb der Polymere legt. «Staudingers Verständnis von Makromolekülen ist heute die selbstverständliche Grundlage unserer Forschung, auch wenn wir ihn nicht jeden Tag extra erwähnen,» meint Polymerphysiker Öttinger, «wir nutzen sein Paradigma und stehen auf den Schultern des Riesen, blicken heute aber weit über ihn hinaus.»