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Basler Universitätsreden 90. Heft
Rektoratsrede gehalten an der Jahresfeier der Universität Basel
Verlag Helbing &Lichtenhahn Basel 1994
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Güntherodt, Hans-Joachim: Physik der kondensierten Materie: Betrachtungen zu Kollektiv und Einzelatom; Rektoratsrede, gehalten an der Jahresfeier der Universität Basel am 25. November 1994 /Hans-Joachim Güntherodt. —Basel: Helbing &Lichtenhahn, 1994 (Basler Universitätsreden: H. 90) ISBN 3-7190-1393-6 NE: Universität <Basel>: Basler Universitätsreden
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ISBN 3-7190-1393-6 Bestellnummer 21 01393 ©1994 by Helbing &Lichtenhahn Verlag AG, BaselHochansehnliche Festversammlung!
Stellen Sie sich vor, ein Text vom Umfang dieser Rektoratsrede wäre im Altertum mit einer Buchstabenhöhe von 30 cm in Stein gemeisselt worden, so wäre dazu eine Fläche vom Grundriss der Martinskirche nötig gewesen. Bei Gutenberg oder dem heute üblichen Drucker eines Computers sind die Buchstaben noch 4 Millimeter hoch und bedecken weniger als einen halben Quadratmeter Papier. Würde nun diese monumentale Steinschrift in atomare Dimensionen verkleinert, also hundertmillionenfach, so wären die Buchstaben nur einige Atome hoch, aber mit dem Rastertunnelmikroskop am Institut für Physik durchaus noch zu entziffern. Die Strichdicke der in Stein gehauenen Buchstaben reduziert sich bei der Verkleinerung auf den Durchmesser eines einzelnen Atoms. Jeder Buchstabe entsteht durch aneinander gereihte Atome. Für die verkleinerte Gesamtfläche des Textes gibt es im täglichen Sprachgebrauch keinen Vergleich, denn alleine eine Stecknadelspitze könnte den gesamten Inhalt eines 24 Bände umfassenden Lexikons aufnehmen. Welche Möglichkeiten eine solche Entwicklung in der heutigen Forschung für die Naturwissenschaften, die Technik und die kulturelle Entwicklung in Zukunft eröffnen könnte, ist kaum abzuschätzen.
Lassen Sie uns zunächst gemeinsam einen Blick auf einzelne Atome werfen, die heute mit dem Rastertunnelmikroskop direkt beobachtet werden können. Ein solches Erlebnis und eine Reihe von weiteren Experimenten hätte ich Ihnen gerne im grossen Physikhörsaal demonstriert. Ich werde dies bei anderer Gelegenheit nachholen. Zur Illustration meiner heutigen Rede habe ich wenigstens einige Bilder ausgewählt, die besser als Worte unsere Forschungsresultate beschreiben. Figur 1 der Bildbeilagen zeigt Ihnen Siliziumatome an der Oberfläche eines Siliziumkristalls. Was Sie als gelbe Punkte sehen, sind Atome. Zunächst fallen Ihnen violette Bereiche auf, um die sich jeweils sechs Atome als Ring anordnen. Vier dieser violetten Bereiche bilden die markierte, rhombenförmige Einheitszelle, mit der die gesamte Oberfläche zusammengesetzt werden kann. Diese Einheitszelle enthält zwei Hälften mit je ein, zwei und drei Atomen, die in der unteren Hälfte markiert wurden. Sie können aber auch Defekte, das heisst Abweichungen von der regelmässigen geometrischen Anordnung feststellen. Rechts unten (mit ,1' bezeichnet) hat sich ein Atom leicht verschoben und bildet mit den Nachbarn eine Gruppe von drei Atomen. Links oben (bei.,2') fehlt ein Atom. Ich hoffe, Sie sind von der Schönheit unserer Natur auch in diesen atomaren Dimensionen fasziniert.
Die Physik der kondensierten Materie beschäftigt sich aber nicht nur mit Experimenten in atomaren Dimensionen und an Einzelatomen. Diese wurden erst in den letzten zehn Jahren durch die Entwicklung der Rastersondenmikroskopie ermöglicht. Ihr gehört zweifellos die Zukunft, und ich werde darauf noch ausführlich eingehen. Historisch ist der Weg genau umgekehrt verlaufen. Aus den verschiedensten Wurzeln hat sich in der Mitte unseres Jahrhunderts die Festkörperphysik und daraus, unter Einbezug des Studiums von Flüssigkeiten, die Physik der kondensierten Materie entwickelt, in der eine unvorstellbar grosse Anzahl von Atomen, das heisst das Kollektiv, dominiert.
Sie begegnen den Anwendungen der technischen Errungenschaften und den vielfältigen Problemstellungen der Physik der kondensierten Materie überall in Ihrem Alltag. Zuerst ist das Gebiet der Mikroelektronik zu nennen. So sind Sie heute vielleicht durch die Töne eines Radioweckers erwacht. Dieser enthält elektronische Bauelemente, Chips oder integrierte Festkörperschaltkreise aus dem Halbleitermaterial Silizium und einen Schwingquarz-Einkristall. Elektronische Chips sind heute in vielen unserer Gebrauchsgegenstände enthalten. Die Verbindung mit der Steckdose erfolgt über ein elektrisch gut leitendes Kupferkabel mit Kunststoffisolation. Nach dem Baden konnten Sie die Wasserwirbel beim Auslaufen des Wassers aus der Badewanne beobachten und sind dabei mitten im Gebiet von Turbulenz und Chaos. Beim Einrühren der Milch in den Kaffe haben Sie vielleicht die Musterbildung bei der Durchmischung wahrgenommen. Ebenso haben Sie sicher schon schöne Bilder mit Fraktalen, also selbstähnlichen Strukturen bewundert, die sogar Eingang in die moderne Kunst gefunden haben, Vielleicht haben Sie zur Stärkung für den heutigen Tag eine Vitamintablette genommen. Die Herstellung dieser synthetischen Vitamine benötigt Katalysatoren aus Edelmetallen, die mit modernen Methoden der Oberflächenphysik optimiert werden. Sie haben sich gefragt, wird es heute Strassenglätte geben? Je nach den tatsächlichen Verhältnissen werden Sie —ohne zu wollen —an Reibungsexperimenten mitbeteiligt! Sie haben die Zeit auf Ihrer Uhr abgelesen, damit Sie pünktlich hier eintreffen. Bei einer Digitaluhr erscheinen die Ziffern auf einer Flüssigkristallanzeige. Die verschiedensten Sensoren sind allgegenwärtig in Verkehr, Umwelt und Haushalt. Teilweise erfolgt ihre Stromversorgung schon mit Solarzellen. Selbstverständlich ist auch Elfenbein, das Material aus dem der sprichwörtliche Elfenbeinturm bestehen würde, ein Beispiel kondensierter Materie. Ich kann Ihnen versichern, bei uns gibt es ihn nicht! Auch wenn wir uns hier in der Martinskirche umsehen, finden wir weitere Beispiele. Die fotografische Emulsion mit Silberbromid-Mikrokristallen des Filmmaterials
in der Kamera unserer Fotografen ist ein ganz aktuelles Forschungsthema. Das Glas der farbigen Fenster im Chor ist ein wichtiger Werkstoff für moderne Technologien. Ich erinnere an die Glasfasern in der Medizin oder in der Telekommunikation. Schliesslich kann ich Ihnen sogar eine kleine Demonstration zeigen. Der Strahl eines Festkörperlasers kann als Lichtzeiger benutzt werden. Ein solcher Festkörperlaser wird auch gebraucht, wenn Sie Musik von Ihren Compact Discs abspielen.
Jetzt möchten Sie endlich wissen, was Physik der kondensierten Materie bedeutet? Welches Ziel hat unsere Forschung? Was sind die neuen Erkenntnisse? Was können wir von der Zukunft erwarten? Wie bettet sich dieses Gebiet in die Gesamtphysik und in die Naturwissenschaften ein?
Den Begriff "kondensierte Materie"im Sinne der Kondensation von Gasatomen zu Flüssigkeiten und der anschliessenden Kristallisation zum Festkörper verstehen Sie am besten an nachfolgendem Beispiel: Starten wir mit Eis als Festkörper, also gefrorenem Wasser. Beim Erwärmen schmilzt das Eis, wir erhalten als flüssige Phase Wasser, und weiteres Erhitzen liefert uns Wasserdampf, das Gas von Wassermolekülen. Bei der umgekehrten Reihenfolge, also der Kondensation, beginnen wir mit Wasserdampf, einem Gas. Beim Abkühlen des Gases kondensieren die Atome oder Moleküle zu einer Flüssigkeit, dem Wasser, und bei weiterem Abkühlen entsteht ein Festkörper, das Eis. Sie alle haben schon im Winter Eis- und Schneekristalle bewundert, die je nach den Bedingungen sechszählige Sterne oder sechseckige Plättchen bilden. Nach dem Kondensieren, also im Festkörper oder Kristall, sind die Atome streng periodisch etwa im Abstand ihres Durchmessers angeordnet. Der Kristall ist ein gutes Beispiel für Ordnung. Eine Flüssigkeit oder ein amorpher Stoff sind Beispiele für Unordnung, bei ihnen ist die kristalline Ordnung zerstört.
Die Physik der kondensierten Materie beschäftigt sich mit den Erscheinungsformen, der Struktur und den Eigenschaften von Materie, wie sie uns unter gewöhnlichen Bedingungen im Bereich der menschlichen Grössenordnungen für Raum und Zeit umgibt. Kondensierte Materie ist der Oberbegriff für Festkörper, Flüssigkeiten und amorphe Stoffe. Je nach ihren elektrischen Eigenschaften können das Metalle, Halbleiter oder Isolatoren sein. Das Ziel der Forschung auf diesem Gebiet ist nicht nur, die uns umgebende Materie zu erkennen, zu verstehen, zu erklären und von ihr zu lernen, sondern sie auch zu nutzen, insbesondere ihren atomaren Aufbau. So lassen sich heute in einem Kristall von Silizium künstlich Bereiche mit halbleitenden, isolierenden und metallischen Eigenschaften zu winzigen Transistoren vereinigen, mit deren Hilfe elektronische Signale verstärkt werden, und die sogar noch zu zehntausenden über interne miniaturisierte Drähte miteinander verbunden werden. Diese Leiterbahnen haben eine Breite, die nur Bruchteile des Durchmessers eines menschlichen Haares beträgt. In diesem Zusammenhang möchte ich Ihnen noch ein Gefühl für die Grösse des Mikro- und Nanometers geben. Sie sind vertraut mit dem Meter und seiner Unterteilung in Zentimeter und Millimeter. Tausend Millimeter, eine Million Mikrometer oder eine Milliarde Nanometer ergeben einen Meter. Das menschliche Haar hat einen Durchmesser von ungefähr 50 Mikrometern oder 50'000 Nanometern. Ein Atom hat einen Durchmesser von etwa 0.3 Nanometern. Drei aneinander gereihte Atome ergeben etwa einen Nanometer. Die fortschreitende Miniaturisierung erschliesst uns immer kleinere Dimensionen, die schliesslich an die Grenze weiterer möglicher Unterteilung führt, und die mit dem Gebiet der Grössenordnung von Makro- und Biomolekülen überlappt. Bei ihnen wurden einzelne Atome und Moleküle im Laufe der Entwicklung zu immer grösseren Systemen zusammengefügt, und damit der umgekehrte Weg beschritten.
Die vielfältigen Fragestellungen der Physik der kondensierten Materie lassen sich am konkreten Beispiel des Kohlenstoffs erläutern, der Ihnen als Festkörper in Form von Graphit oder Diamant bekannt ist. Diese beiden Erscheinungsformen desselben Elements als zwei sehr verschiedene Festkörper können als Beispiel für wohlgeordnete Kollektive von Atomen dienen. Ihre sehr unterschiedlichen physikalischen, das heisst elektrischen, mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften kann man durch die verschiedenartige Anordnung derselben Atome verstehen. Schwarzer Graphit ist weich und elektrisch gut leitend. Der transparente Diamant ist hart und elektrisch isolierend. Durch Einlagern von Lithium in Graphit kann die schwarze in eine goldene Farbe verwandelt, und damit, wenigstens farblich, der Traum der Alchemisten von der Goldsynthese realisiert werden.
Da die Ergebnisse der Grundlagenforschung von heute die Anwendungen von morgen bedeuten, ist es offensichtlich, dass an einem solchen Gebiet auch andere Fachleute Interesse zeigen: Der Kristallograph, der Mineraloge, der Chemiker, der Werkstoff- oder Materialwissenschafter, der Elektro- und Maschinenbauingenieur und nicht zuletzt der Juwelier. Dabei eröffnen sich Möglichkeiten zur interdisziplinären Zusammenarbeit, zur anwendungsorientierten Forschung und zur Entwicklung neuer Produkte. Zu erwähnen sind etwa die synthetische Herstellung von Industriediamanten oder die Beschichtung von Werkzeugen und optischen Linsen mit dünnen Schichten aus amorphem und diamantähnlichem Kohlenstoff. Tatsächlich bestimmt die Bereitschaft zur Zusammenarbeit in verschiedenen Fachbereichen die Zukunft der gesamten erfolgreichen Forschung unserer Universität. Auch die Lehre muss verstärkt in diese Richtung gelenkt werden. Die neuen und interessanten Forschungsresultate ergeben sich heute in Gebieten, die zwischen den traditionellen Fachbereichen angesiedelt sind. So haben wir in den vergangenen zwanzig Jahren jeweils auf unserem Hauptarbeitsgebiet
innerhalb der Physik der kondensierten Materie Zusammenarbeit mit der Chemie, dem Biozentrum, der Mathematik, der Informatik, dem Zentrum für Lehre und Forschung der medizinischen Fakultät und den Erdwissenschaften gepflegt. Es gibt aber eine ganze Reihe von Projekten, bei denen die Zusammenarbeit aus anderen Fachbereichen an uns herangetragen wurde. Dabei sind zu nennen die Zahnmedizin, die Orthopädie, die Herzchirurgie, die Pharmazie und das Tropeninstitut unserer Universität, schliesslich die Nephrologie-Abteilung des Kantonsspitals in Liestal. Folgende Projekte sind auch für den Aussenstehenden verständlich und daher ohne lange Erläuterungen einfach aufzuzählen: Die Auswirkung des Hochgeschwindigkeitsbohrens auf die weichen Zellen des Zahninnern, die Druckverteilung im Kniegelenk und in Hüftgelenkprothesen, die Ortung von Blindschleichen im Oberengadin mittels miniaturisierter Sender im Körper und strömungsmechanische Probleme bei der künstlichen Beatmung während einer Operation. Solche Aktivitäten setzen eine spezielle Infrastruktur, das heisst gut ausgestattete und leistungsfähige Mechanik- und Elektronikwerkstätten voraus, die sich weltweit mit den besten Entwicklungslaboratorien messen können und damit den Vorsprung unserer Forschung garantieren. Unsere erfolgreichen Arbeiten wären aber nicht möglich gewesen, wenn wir nicht die ständige Unterstützung und Zusammenarbeit mit dem Universitätsrechenzentrum und dem Labor für Rasterelektronenmikroskopie gehabt hätten. Beides sehr gute Beispiele, wie zentrale Einheiten einer Universität effektiv für einen grösseren Benutzerkreis wirken.
Nachdem wir uns mit dem Gebiet, typischen Fragestellungen und dem interdisziplinären Charakter der Physik der kondensierten Materie vertraut gemacht haben, möchte ich nun auf die historische Entwicklung eingehen. Natürlich hat kondensierte Materie schon immer existiert. Denken Sie zum Beispiel an die natürlich vorkommenden Bergkristalle, an die schon erwähnten Eiskristalle und die
ungeheuren Wassermassen unserer Erde. Feste Stoffe, die vom Menschen nutzbar gemacht oder entwickelt wurden, haben den grossen kulturgeschichtlichen Epochen ihre Namen verliehen. Stein, Bronze und Eisen haben umwälzende Veränderungen verursacht, als man gelernt hatte, diese Materialien als Werkzeuge und Werkstoffe einzusetzen. Glas, Ton und Porzellan haben ihre bedeutenden Beiträge zu unserer Zivilisation geleistet. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich eine weitere Umwälzung angedeutet. Sie alle haben schon den Namen "Silicon Valley", das Tal des Siliziums, für eine Industrielandschaft in der Nähe von Palo Alto in Kalifornien gehört. Halbleitendes Silizium ist die Substanz, aus der moderne Mikroelektronik entsteht, und sie ist auch das Material für zukünftige Mikromechanik, die nicht nur neue Werkzeuge, sondern sogar neuartige Maschinen oder Systeme schafft. Vielleicht wird unsere Epoche als Siliziumzeit in die Geschichte eingehen. Der Rohstoff des Siliziums ist Quarz und kommt fast unbegrenzt in Sand oder Sandstein vor. Die nahezu uneingeschränkte, billige und weltweite Verfügbarkeit definiert eine neue Qualität moderner Rohstoffe, die Veredelung und Wertschöpfung durch geistige Leistungen betont.
In den vergangenen Jahrhunderten wurden die makroskopischen Eigenschaften der kondensierten Materie mit den klassischen Theorien für Mechanik, Elektromagnetismus und Thermodynamik beschrieben. Dies war völlig ausreichend für die damalige Naturforschung und Dimensionen im Zentimeterbereich, bei denen jedes Geschehen stetig abläuft, und die Energie sich kontinuierlich ändert. In Basel sollte man an die Arbeiten der Bernoulli über die Balkenbiegung und die Hydrodynamik erinnern. Auf anderen Gebieten fehlte das Verständnis für die augenfälligsten Eigenschaften in unserer Umgebung. Vor 1900 verstand man nicht einmal, warum ein Hufeisen beim Erhitzen in der Schmiede erst rot, dann gelb und danach weiss wird. Niemand wusste, warum Festkörper schwer zu verformen sind oder weshalb Metalle Elektrizität und Wärme leiten.
Erst die Quantenmechanik ermöglichte uns Antworten auf alle diese, sehr grundlegenden Fragen. Physik der kondensierten Materie ist die Anwendung der Quantenmechanik auf das Kollektiv der Atome und Elektronen. Deshalb werde ich, im Rahmen dieses historischen Überblicks, kurz auf die Entwicklung der Quantenmechanik und ihre Bedeutung für die kondensierte Materie eingehen.
Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte sich allmählich neben der klassischen Physik die auf völlig neuen Betrachtungsweisen aufbauende moderne Physik. Diese moderne Physik umfasst die der unmittelbaren Wahrnehmung nicht zugänglichen Elementarteilchen und die daraus aufgebauten Systeme wie Atomkerne, Atome und Moleküle, die mit der Quantentheorie beschrieben werden. In der Physik der kondensierten Materie bedeutete dies ein neues Verständnis makroskopischer Eigenschaften des Kollektivs von Atomen und Elektronen und die Entdeckung neuer mikroskopischer Effekte. Solche herausragenden Kollektiveigenschaften sind die elektrische Leitfähigkeit der Metalle, die halbleitenden Eigenschaften des Silizium, der Ferromagnetismus, zum Beispiel von Eisen, und die Supraleitung. Bei der Supraleitung fliesst ein elektrischer Strom ohne Widerstand. Ein einzelnes isoliertes Atom oder ein Gas zeigen diese Eigenschaften nicht. Das Verständnis dieser Eigenschaften hat unmittelbare Auswirkungen auf technische Anwendungen wie die elektronische Signalverarbeitung in Transistoren, logischen Schaltkreisen und Mikroprozessoren, die magnetische Datenspeicherung und die Erzeugung von Magnetfeldern für die Magnetresonanz-Tomographie.
Im Rahmen der Quantenmechanik mussten die Physiker ihre bisherige Vorstellung, dass sich die Welt um uns stetig und kontinuierlich darstellt, für kleine Dimensionen ergänzen. Anstatt Stetigkeit treten Sprünge, oft auch Quantensprünge genannt, auf, und der Begriff kontinuierlich muss durch nichtkontinuierlich ersetzt
werden. Eine wichtige Konsequenz ist, dass man in der Quantenmechanik das Eintreten bestimmter Abläufe und Ereignisse nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit voraussagen kann. Die Quantenphysik beschreibt auch den nach klassischen Theorien nicht erklärbaren Tunneleffekt, der die Grundlage des Rastertunnelmikroskops bildet. Ein Elektron kann eine unüberwindbare Energie-Barriere durchtunneln.
1925 lag die mathematische Formulierung der neuen Quantenmechanik vor, und ihre Anwendung auf alle möglichen Fragestellungen brachte eine Flut von neuen Erkenntnissen. Es war die Blütezeit der eigentlichen Atomphysik, die Anwendung der Quantentheorie auf die Gesamtheit voneinander isolierter Atome in einem Gas, wo der Abstand zwischen den einzelnen Atomen etwa 1000mal grösser als ihr Durchmesser ist. Nach dem Atommodell besteht das Atom aus der Elektronenhülle und einem hunderttausendmal kleineren Kern. Der Aufschwung der Festkörperphysik, die sich mit den dicht aneinandergereihten Atomen im Kristall beschäftigt, erfolgte erst später. 1928 hat der Schweizer Felix Bloch, der Nobelpreisträger für die Entdeckung der Magnetresonanz, den Festkörper quantenmechanisch behandelt und mit seinem Bändermodell die Grundlage der Einteilung der Festkörper in Metalle, Halbleiter und Isolatoren gelegt und damit die Voraussetzung für die moderne Festkörperphysik geschaffen. Aber erst mit der Erfindung des Transistors 1947 entwickelte sich die Festkörperphysik zu einem eigenständigen Gebiet. Die klassische Festkörperphysik wurde Mitte der sechziger Jahre durch den Einbezug von Flüssigkeiten und amorphen Stoffen zur Physik der kondensierten Materie erweitert.
In der kondensierten Materie erfolgt ein Zusammenbau von unvorstellbar vielen Atomen in einem kleinen Volumen. Die Atome sind so nahe beieinander, dass jedes Atom simultan mit vielen anderen in Wechselwirkung treten kann. Dabei können die äussersten
Elektronen jedes Atoms aus der Elektronenhülle befreit werden. Sie treten als Leitungselektronen im Metall oder Halbleiter in Erscheinung. Besonders interessante physikalische Eigenschaften wie die Supraleitung lassen sich auf spezielle Wechselwirkungen dieser Elektronen zurückführen. So zeigen zwei negativ geladene Elektronen, die sich nach unseren normalen Vorstellungen als gleichnamige Ladungen abstossen, in supraleitender kondensierter Materie eine anziehende Wechselwirkung.
Information über die dreidimensionale Anordnung der Atome in kondensierter Materie wird durch Beugungsexperimente von Röntgenstrahlen und Neutronen gewonnen, das sind typische Streuexperimente an einem Kollektiv von Atomen. Dabei können Atome nicht direkt beobachtet werden, sondern sie werden durch eine Modellvorstellung berücksichtigt. Die strenge periodische Anordnung der Atome im Festkörper erlaubt eine relativ einfache mathematische Behandlung dieses komplexen Vielteilchensystems. In einer Flüssigkeit oder in amorpher Materie erschwert die Unordnung die mathematische Behandlung ganz erheblich. Hier ist es erst in den 60er Jahren zu Fortschritten gekommen.
Die Erforschung der Eigenschaften nichtkristalliner Materie in flüssigen und glasartigen Metallen war mein Hauptforschungsgebiet in den ersten zehn Jahren hier in Basel, nach meinem Wechsel von der ETH Zürich im Jahre 1974. Sie haben vielleicht schon von glasartigen Metallen oder metallischen Gläsern gehört. Das sind Materialien, die sich durch eine einmalige, bislang nicht bekannte Kombination von Eigenschaften sowohl der Metalle als auch der Gläser auszeichnen. Zur Verdeutlichung: Im Unterschied zu Metallen sind Gläser spröde und korrosionsbeständig. Metalle hingegen sind nicht spröde, sondern duktil und daher verformbar. Die Kombination beider Materialien in Form von metallischen Gläsern ist duktil und korrosionsbeständig. Selbstverständlich sind glasartige
Metalle metallisch glänzend und nicht durchsichtig. Diese metallischen Gläser werden durch extrem rasches Abschrecken um eine Million Grad pro Sekunde aus der Metallschmelze hergestellt, die auf eine schnell rotierende Kupferwalze gespritzt wird. Dabei wird der flüssige Zustand eingefroren, bevor ein Kristallgitter ausgebildet werden kann. Die glasartigen Metalle sind ein gutes Beispiel für die Verbindung von wissenschaftlicher Grundlagenforschung und der Anwendung neuer Materialien in der Technik.
Typische grundlegende Fragestellungen sind: Wie wird das Kollektiv der Atome und Elektronen durch die Unordnung des glasartigen, nichtkristallinen Zustandes beeinflusst? Welche Änderungen zeigen all die Eigenschaften, die wir mit dem Festkörper assoziieren, wie elektrische Leitfähigkeit, Magnetismus und Supraleitung, im amorphen Zustand? Es sind aber noch heute ganz prinzipielle Fragen über die Anordnung der Atome im amorphen Zustand offen, die wir mit dem Rastertunnelmikroskop beantworten wollen. Die ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften in diesen Werkstoffen, die bisher nicht existierten, lässt neue Anwendungen erwarten. Einige ausgewählte Beispiele dafür sind Transformatorenbleche, die die Verluste an elektrischer Energie bedeutend reduzieren, neue Materialien, die elektromagnetische Felder abschirmen, Werkstoffe mit interessanten Eigenschaften, die im Sensorbau angewendet werden können und korrosionsbeständige, abriebfeste Komponenten, die zu Aufzeichnungsköpfen für Ton und Bild führten. In meiner Umgebung haben wir daher sehr gute Erfahrung mit der befruchtenden Wechselwirkung zwischen Grundlagenforschung und der mehr anwendungsorientierten Forschung gemacht. Besonders wertvoll ist der Einbezug von HTL-Ingenieuren. Sie sind nicht nur eine wertvolle Ergänzung des reinen Wissenschafters, sondern wirken als unersätzliches Bindeglied zur Industrie. Ähnlich wie die Kombination von Metall und Glas stossen eine ganze Reihe von Materialien heute auf grosses Interesse, die eine ausgefallene
Eigenschaftskombination zeigen, und die mit unserer alltäglichen Erfahrung scheinbar unvereinbar sind: Flüssige Kristalle, leitende Polymere, organische und keramische Supraleiter.
Sie sehen, die traditionelle Physik der kondensierten Materie ist ein ausserordentlich breites Gebiet mit besonderem Bezug und Einfluss auf den uns umgebenden Alltag in einer modernen Welt, und sie hat ein grosses Potential an vielfältigen Anwendungen. Sie hat die eigentlichen High-Tech-Gebiete begründet und ihr verdanken wir ausserordentliche technologische Innovationen: Transistor, integrierte Schaltkreise, Supraleitermagnete, Speichermedien für Information, Fotokopierapparate, Festkörperlaser, Solarzellen, optische Glasfasern und die verschiedensten Sensoren. Alle diese Neuerungen haben Auswirkungen auf so wichtige Bereiche wie Computertechnik, Informationsspeicherung, Telekommunikation, Medizin, Sensorik, Sicherheit, Energie, Umwelt und Rohstoffversorgung. Etwa die Hälfte der schätzungsweise 500'000 Physikerinnen und Physiker arbeiten weltweit auf diesem Gebiet, und längst sind wichtige Gebiete wie zum Beispiel die Mikroelektronik in die Ingenieurwissenschaften abgewandert.
Die vergangenen 80er Jahre waren reich an bedeutenden neuen Beiträgen auf dem Gebiet der Physik der kondensierten Materie, und die Schweiz hat in aussergewöhnlichem Masse dazu beigetragen. Diese neuen Errungenschaften sind alle dadurch gekennzeichnet, dass sie nach Lehrbuchmeinung nicht voraussehbar waren. Das verleiht natürlich Lehre und Forschung auf diesem Gebiet einen besonderen Reiz.
Es begann 1981 mit dem Rastertunnelmikroskop, für das Gerd Binnig und Heinrich Rohrer mit dem Nobelpreis des Jahres 1986 geehrt wurden. Dies war die Grundlage zu einem neuen Typ von Mikroskop, das anders als bisherige Mikroskope funktioniert und die
Welt der Atome und Moleküle relativ einfach erschliesst, auch insbesondere denen, die der Physik nicht so nahe stehen. In Anlehnung daran folgte das optische Rasternahfeldmikroskop, das die Möglichkeit eröffnet, auch mit Licht eine wesentlich höhere Auflösung als bisher zu erhalten, und das Atomic Force Microscope zur Messung interatomarer Kräfte und zur Abbildung von isolierenden Oberflächen. Entsprechend obiger Bezeichnungen wird es auch Rasterkraftmikroskop genannt. Alle diese Geräte werden unter den Begriffen Rastersondenmikroskope oder Rastersondenmethoden zusammengefasst. Später komme ich auf dieses Gebiet zurück. Um die chronologische Reihenfolge einzuhalten, wende ich mich zunächst den anderen wichtigen Ereignissen zu.
Neben diesen neuen Methoden wurden auch unbekannte Materialien entdeckt, zu deren weiterer Erforschung die neuen Mikroskope äusserst hilfreich sind. 1986 wurden neue Hochtemperatur-Supraleiter vorgestellt, die nicht wie die bisher bekannten Supraleiter aus Metallen, sondern aus keramischen Metalloxiden bestehen. Supraleitung wurde erstmals 1911 am Metall Quecksilber bei der Temperatur des flüssigen Heliums (4 K oder -269 °C) beobachtet. Die Stromleitung ohne Verlust in supraleitenden Kabeln, der Bau von supraleitenden Magneten mit hohen Magnetfeldern und die supraleitende Levitation von Hochgeschwindigkeitszügen hat die menschliche Phantasie schon lange vor 1986 beflügelt. Die neuen Hochtemperatur-Supraleiter müssen nur noch mit dem viel billigeren flüssigen Stickstoff (77 K oder -196 °C) gekühlt werden, womit grosse Erwartungen in solche Anwendungen geweckt wurden. Aber bevor der grosstechnische Einsatz möglich ist, sind noch eine Reihe von materialwissenschaftlichen Problemen, insbesondere die Herstellung von Drähten aus diesem Material zu lösen. Es ist immer wieder zu Spekulationen gekommen, ob die Supraleitung auch bei Zimmertemperatur (293 K oder 20 °C) möglich ist. Bisher erfolgte keine experimentelle Bestätigung.
1990 schliesslich folgte die Synthetisierung einer neuen Modifikation von Kohlenstoff, neben dem Ihnen schon bekannten Graphit und Diamant. 60 Kohlenstoffatome ordnen sich wie bei einem Lederfussball mit 12 Fünfecken und 20 Sechsecken zu einem Kohlenstoffmolekül an, indem sie die Eckpunkte besetzen. Aus den Molekülen können Festkörper aufgebaut werden. Schon Leonhard Euler hatte die Anzahl der Fünfecke und Sechsecke für einen solchen Körper, unter der Annahme, dass sich keine Fünfecke berühren, berechnet. Zu Ehren des Architekten Buckminster Fuller, der eine ganz ähnliche halbkugelförmige Hallenkonstruktion zur Weltausstellung 1967 in Montreal entworfen hat, tragen diese Moleküle, mit dem Durchmesser von einem Nanometer, den Namen Buckyballs oder Fullerene. Das ist ein gutes Beispiel dafür, wie menschlicher Geist und die Natur unabhängig zum gleichen Ergebnis in verschiedenen Dimensionen über die Stabilität eines Bauwerkes oder eines Moleküls kommen können.
Lassen Sie mich nun zu unserem Schwerpunkt, dem Gebiet der Rastersondenmikroskopie oder Rastersondenmethoden zurückkehren. Die letzte Bezeichnung drückt aus, dass diese Instrumente vielseitiger als übliche Mikroskope sind. Neben dem Abbilden ermöglichen sie Messungen, Spektroskopie, Modifikation und Manipulation. Diese Rastersondenmethoden führen uns in ein neues Gebiet, das Richard Feynman, der berühmte theoretische Physiker und Nobelpreisträger schon 1960 visionär mit "There is plenty of room at the bottom"vorausgesagt hat, und das heute mit Nanowissenschaft und Nanotechnologie bezeichnet wird. Damit wollte Feynman auf die ungeahnten Forschungs- und Realisierungsmöglichkeiten der Physiker in atomaren Dimensionen aufmerksam machen. Allerdings fehlte ihm die Vorstellung von den entsprechenden einfachen Beobachtungsmöglichkeiten und Werkzeugen, wie sie erst 20 Jahre später entstanden sind.
Nun möchte ich diese neue Familie von Mikroskopen ausführlicher besprechen. Diese Geräte erschliessen die Nanometerwelt, also die an den Bereich der Mikrometer anschliessenden kleineren Dimensionen bis zu Atomen und Molekülen. Es erscheint daher nur logisch, dass das erste kommerzielle Gerät in Anlehnung an Microscope mit Nano-scope bezeichnet wurde.
Wie schon immer in der Vergangenheit eröffnet ein neues Mikroskop eine neue Aera, sowohl für die Wissenschaft, als auch für die Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse. Ich erinnere an das optische Mikroskop, mit dem zum ersten Mal Bakterien gesehen wurden, und an das Elektronenmikroskop, mit dem zum ersten Mal Viren beobachtet wurden. Der Nobelpreisträger Heinrich Rohrer betont immer: "Neues Sehen und Verstehen ist der Anfang, um etwas besser, aber vor allem um etwas Neues zu machen. Schliesslich möchte man mit Atomen wie mit Murmeln, mit Molekülen wie mit Lego-Bausteinen umgehen und Prozesse physikalischer und chemischer Natur einzeln verfolgen und kontrollieren können."
Figur 2 der Bildbeilagen veranschaulicht die verschiedenen Etappen der Entwicklung der Mikroskopie anhand des Graphits einer Bleistiftmine. Zunächst oben links das vertraute Bild unserer Augen; daneben rechts oben mit einer 300fachen Vergrösserung das Bild im optischen Mikroskop; unten links mit einer weiteren 300fachen Vergrösserung die Information, die uns das Elektronenmikroskop liefert. Schliesslich rechts unten die Abbildung mit dem Rastertunnelmikroskop nach einer weiteren 300fachen Vergrösserung, auf der einzelne Kohlenstoffatome, die gelb markiert wurden, zu sehen sind. Das letzte Bild repräsentiert eine Gesamtvergrösserung von 300X300X300 = 27'000'000 =27 Millionen. Bemerkenswert ist, dass diese Bilder mit zwei grundsätzlich verschiedenen Abbildungstechniken gewonnen wurden. Unser Auge, das optische Mikroskop und das Elektronenmikroskop arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Sie haben Linsen, mit
denen die Abbildung durch Licht- oder Elektronenwellen erfolgt. Ihre grösstmögliche Auflösung ist etwa durch die halbe Wellenlänge begrenzt. Elektronen haben eine kleinere Wellenlänge als Licht, und damit bedeutete das Elektronenmikroskop einen Fortschritt im Hinblick auf die Auflösung. Die Rastersondenmikroskope haben keine Linsen und sind damit bezüglich der Auflösung nicht durch die Wellennatur limitiert. Gegenüber dem Elektronenmikroskop bieten sie den Vorteil, dass mit ihnen auch in flüssiger Umgebung und auf isolierenden Oberflächen gearbeitet werden kann.
An diesem Beispiel sehen Sie eindrücklich das Wesen der Grundlagenforschung, die nicht Bekanntes verbessern soll, sondern grundlegend Neues schaffen muss. Das Rastertunnelmikroskop ist eine geniale und kreative Meisterleistung. Zunächst begann dieses Gebiet als reine Grundlagenforschung und ist es auch heute noch in hohem Masse, doch Teilbereiche sind in wenigen Jahren zu einem eigenen Industriezweig des Instrumentenbaus aufgestiegen, ähnlich wie bei Licht- und Elektronenmikroskopen.
Wie funktionieren nun diese neuen Mikroskope? Für alle Rastersondenmethoden ist charakteristisch, dass die zu untersuchende Oberfläche mit einer feinen Sonde abgetastet und dabei die Wechselwirkung zwischen Sonde und Probe ortsabhängig gemessen wird. Das können sein: der elektrische Strom, das elektromagnetische Feld des Lichts oder verschiedene Kräfte. Beim Rastertunnelmikroskop wird eine feine Spitze als Sonde im Abstand von nur zwei bis drei Atomdurchmessern über der zu untersuchenden Oberfläche positioniert. Wenn eine kleine Spannung zwischen der Spitze und der Probenoberfläche angelegt wird, können Elektronen die kleine Distanz zwischen Spitze und Oberfläche quantenmechanisch überwinden, das heisst durchtunneln; es fliesst ein Vakuumtunnelstrom. Seine Grösse variiert drastisch mit dem Abstand zwischen Spitze und Probenoberfläche. Wenn sich dieser Abstand um den Durchmesser
eines Atoms ändert, so variiert der Strom um einen Faktor 1000, was mit moderner Elektronik sehr gut gemessen werden kann.
Mit dem bisher beschriebenen Rastertunnelmikroskop können nur leitende Oberflächen untersucht werden, da zwischen der Spitze und der Probenoberfläche ein elektrischer Strom fliessen muss. Isolierende Oberflächen wie Glas) Keramik, Kunststoff und oxidierte Metalle kommen aber sehr häufig in unserem und dem industriellen Alltag vor. Diese Materialien können mit dem Rasterkraftmikroskop untersucht werden. Bei ihm werden die winzigen interatomaren Bindungskräfte zwischen der Spitze eines kleinen Federbalkens und den Atomen der Oberfläche gemessen. In vielerlei Hinsicht ähnelt dieses neue Mikroskop unserem guten alten Plattenspieler. Wie eine Nadel tastet die Feder als Kraftsonde die isolierende Oberfläche ab und ermöglicht damit eine Abbildung bis in atomare oder molekulare Dimensionen. Aus verschiedenen Gründen muss der Federbalken mit Spitze sehr klein sein. Er wird aus einkristallinem Silizium mit integrierter Spitze durch Mikrofabrikation hergestellt, eine neue Bearbeitungstechnik, die sich aus der Mikroelektronik beim Herstellen von Chips entwickelt und das Gebiet der Mikromechanik begründet hat. Die Materialbearbeitung von Silizium wird statt mit Drehbank und Fräsmaschine mit chemischen Prozessen und Ionenstrahlen durchgeführt. Heute lassen sich miniaturisierte Rastersondenmikroskope durch Mikrofabrikation herstellen, und dies eröffnet den Ausblick, viele solcher kleinen Geräte parallel einzusetzen. Im Prinzip sind diese Geräte Paradebeispiele für die sich stark entwickelnde Mikrosystemtechnik, wo Sensorik, Mikromechanik und Mikroelektronik vereinigt werden.
Um Ihnen eine Vorstellung von den Dimensionen der Nanowelt zu vermitteln, erlauben Sie mir folgenden Vergleich: Kehren wir zu der am Anfang erwähnten Steininschrift mit 30cm Buchstabenhöhe und 3 cm Strichdicke zurück. Diese Zahlenwerte wurden entsprechend
dem nachfolgenden Schritt gewählt. Wenn die Atome hundertmillionenfach auf die Grösse von Tischtennisbällen vergrössert werden, dann ist die ebenfalls zu Beginn erwähnte Atomschrift, bei der die Buchstaben aus wenigen Atomen aufgebaut sind, gleich gross wie die Steininschrift. Mein Manuskript wäre nun in der Form von Tischtennisbällen auf dem Grundriss der Martinskirche zu lesen und jeder Ball entspräche einem Atom. Wie würden in diesem Massstab die mikro- bis millimetergrossen Sonden der Rastersondenmikroskope aussehen? Beim Tunnelmikroskop müsste die Spitze etwa die Höhe des freistehenden Matterhorns vom Meeresspiegel aus einnehmen. Beim Kraftmikroskop würden sich Federbalken und Spitze zu einem überdimensionalen Brett mit dem Eiffelturm als Spitze ergeben. Ebenso eindrücklich sind die Verhältnisse beim Lesen des Textes oder beim Abbildungsprozess: Das Matterhorn oder der Eiffelturm würden im Abstand von 10 cm, also 3 Tischtennisbällen, mit der Geschwindigkeit eines Jumbo-Jets über den Boden der Martinskirche gerastert. Dabei werden die einzelnen Tischtennisbälle abgebildet und der Text nicht zerstört.
Was kann ich nun mit dem Rasterkraftmikroskop beobachten? Im Prinzip können Topographie, Atome, Moleküle vom harten Diamant bis zu weichen lebenden Zellen in ihrer natürlichen Umgebung abgebildet und zusätzlich kleine Kräfte gemessen werden. Figur 3 zeigt die Messung der Rauhigkeit der Oberfläche eines hochpolierten Glases, wie wir es vom täglichen Gebrauch als Brillenglas kennen, oder wie es in einem Spiegelteleskop eingesetzt wird. Die uns als besonders glatt vertraute Oberfläche erinnert bei dieser viel besseren Auflösung stark an eine zerklüftete Landschaft mit Berg und Tal. Tatsächlich würde eine Satellitenaufnahme der Alpen ganz ähnlich aussehen. Diese Aehnlichkeit wird noch verstärkt durch die dreidimensionale bildliche Präsentation, da in beiden Gebieten die modernen Techniken der graphischen Visualisierung von Daten eingesetzt werden.
Ich möchte noch einen Einblick in die grosse Bedeutung dieser neuen Experimentiertechnik für Medizin und Molekularbiologie anhand der molekularen Erkennung geben. Ein besonderer Aspekt der belebten Materie ist die spezifische molekulare Wechselwirkung, wie sie eben zwischen Rezeptor und Ligand, oder Antikörper und Antigen auftreten kann. Als Analogie im vertrauten Alltag können Sie sich ein Paar aus Schlüssel und dazugehörigem Schloss vorstellen. Ähnlich einer Angel kann der Schlüssel an der Spitze des Kraftmikroskops hängen und das dazugehörige Schloss suchen, dort eingepasst und wieder herausgezogen werden. Auf molekularer Ebene sind Kräfte bei der Schlüssel-Schloss-Wechselwirkung involviert. Die hohe Präzision und grosse Empfindlichkeit der Rastersondenmethoden erlauben nun, den Liganden an der Spitze eines Kraftmikroskops anzubringen, diesen über den Rezeptor zu positionieren, sich mit dem Liganden dem Rezeptor zu nähern und sich wieder von ihm zu entfernen. Dabei können die Bindungskräfte solcher molekularer Paare quantitativ gemessen werden. Dies kann unter physiologischen Bedingungen erfolgen, so dass der unterschiedliche Einfluss von speziellen Ionenkonzentrationen oder das Blocken durch monoklonale Antikörper studiert werden können.
Schliesslich noch ein Beispiel, das Sie aus dem heutigen Stand der Technik in die Möglichkeiten der Zukunft entführt. Die feinen Spuren einer Compact Disc (CD) können im Mikrometerbereich mit dem Rasterkraftmikroskop sehr schön sichtbar gemacht werden. Figur 4 zeigt viele Spuren mit kürzeren und längeren Markierungen, mit denen die Mozart Serenaden, die wir von Dr. Sacher und seinem Orchester hören dürfen, gespeichert sind. Der Abstand zwischen den Spuren beträgt etwas mehr als einen Mikrometer. Mit dem Rasterkraftmikroskop kann diese Polymeroberfläche aktiv modifiziert werden. Dazu vibriert der Federbalken mit Spitze wie ein Presslufthammer, um so zwischen die Spuren "Uni Basel" und das neue Signet (Figur 5) zu schreiben. Anschliessend wird der
Schriftzug vom Rasterkraftmikroskop im normalen Beobachtungsmodus abgebildet.
Meine bisherigen Ausführungen haben Sie in die Welt der Rastersondenmethoden, die Experimente, die Möglichkeiten und ersten Resultate eingeführt. Diese Methoden tragen zum Gebiet der Physik der kondensierten Materie entscheidend in zwei Richtungen bei.
Erstens werden sie der traditionellen Physik der kondensierten Materie einen Fortschritt in dem Sinne ermöglichen, dass sie eine Untersuchung des Kollektivs der Atome und Elektronen in kleinen Dimensionen erlaubt, die durch andere Methoden bisher nicht zugänglich war. Untersuchungen von lokalen Inhomogenitäten, wie unterschiedliche chemische Zusammensetzung, Defekte, Domänen, Korn- und Domänengrenzen, Wachstum dünner Filme und Cluster in den Gebieten von Ober- und Grenzflächen, Magnetismus und Supraleitung sind Themen, die nun mit äusserst hoher räumlicher Auflösung bearbeitet werden können. Aber auch bisher auf atomarer und molekularer Skala unerforschte Eigenschaften wie Adhäsion, Korrosion und Reibung können erstmals von den Grundlagen her untersucht und verstanden werden. Hier liegen unsere gegenwärtigen erfolgreichen Forschungsbeiträge.
Zweitens legen diese Rastersondenmethoden den Grundstein zu einem vollkommen neuen Teilgebiet der Physik der kondensierten Materie. Das neue Gebiet beschäftigt sich mit dem Aufbau des Kollektivs und komplexer Systeme aus Einzelbausteinen, den Atomen und Molekülen. Dies ist im klaren Gegensatz zum traditionellen Ansatz der Physik der kondensierten Materie, der vom Kollektiv ausgeht und durch Miniaturisierung in kleine Dimensionen vorstösst. Mit dem neuen Vorgehen lassen sich in Zukunft eine ganze Reihe noch offener fundamentaler Fragen beantworten, die ich kurz andeuten möchte.
Am Anfang meiner Rede hatte ich mit dem Beispiel des in atomare Dimensionen verkleinerten Textes Ihr Vorstellungsvermögen angeregt. Im zweiten Teil habe ich versucht, Sie beim Grössenvergleich von Nanowelt und den uns vertrauten Dimensionen in Staunen zu versetzen. Jetzt zum Schluss möchte ich in diese atomaren Dimensionen zurückkehren und in dieser Nanowelt einige Visionen diskutieren. Sie können sich leicht vorstellen, dass die Spitze neben der Abbildung auch zum aktiven Verändern der Anordnung der Atome eingesetzt, also zur Modifikation und Manipulation verwendet werden kann.
Bisher haben wir nur vom Lesen in atomaren Dimensionen gesprochen, kann ich aber auch schreiben? Wie muss die Informationsspeicherung im binären Code 0/1 aussehen? Im Extremfall des kleinsten denkbaren Speichers ist ein "ja"oder eine "1"durch die Anwesenheit eines Atoms an einem bestimmten Ort, und ein "nein" oder eine "0"durch ein fehlendes Atom gegeben. Selbstverständlich kann ich auch Texte schreiben. Aus einem Reservoir von hunderttausenden von Atomen hole ich mir mit der Spitze einzelne Atome und verschiebe sie so, dass ich daraus Atom für Atom den ganzen Text aufbaue. Sie werden einwenden, das dauere aber sehr lange. Ich kann das parallel machen, das heisst mit 100 oder 1000 Spitzen gleichzeitig den Text schreiben. Bedenken Sie auch, dass die Distanzen über die ich die Atome verschiebe, sehr klein, und daher die dazu benötigte Zeit sehr kurz ist.
Es können aber auch Erkenntnisse gewonnen werden, wie ich ausgehend vom Einzelatom weitere Atome zusammenfügen muss, damit Ordnung oder Unordnung entsteht. Die folgenden Fragen können beantwortet werden: Wieviele Atome benötige ich, um elektrische Leitfähigkeit oder Supraleitung zu beobachten? Wie hängen diese Eigenschaften von unterschiedlichen geometrischen Anordnungen ab? Man kann lernen, wie künstlich komplizierte
Moleküle synthetisiert werden können, die sich selbst organisieren und komplexe Strukturen bilden. Aber auch Vorschläge zu neuen atomaren Bauelementen, wie Atomschalter oder Atomrelais sind realisierbar.
1991 wurde an der Medical School von Seattle der Vorschlag gemacht, das Rastermagnetkraftmikroskop, bei dem die mikrofabrizierte Spitze mit einer dünnen ferromagnetischen Schicht bedampft ist, für die magnetische Resonanz-Kraftmikroskopie einzusetzen. Das Ziel ist, im Gegensatz zur heutigen Magnetresonanz, bei der viele Atome beteiligt sind, schliesslich nur ein einzelnes Atom eines organischen Moleküls abzutasten. Damit würde die chemische Identifikation des Einzelatoms ermöglicht. Aber wenn dieses Ziel auch nicht erreicht werden sollte, ist jede Empfindlichkeitssteigerung, die die Untersuchung kleinerer Proben ermöglicht, und jede grössere räumliche Auflösung schon ein beachtlicher Fortschritt. Sie alle wissen, wie wichtig Magnetresonanz-Tomographie schon heute ist, und welche Perspektiven dieser neue Schritt über die Physik hinaus für Chemie, Biologie und Medizin eröffnet.
Diese Visionen gehen weit über das reine Abbilden und Analysieren hinaus, sie eröffnen Möglichkeiten, auf atomarer und molekularer Stufe die Natur zu simulieren und direkt einzugreifen. Vielleicht entdeckt man dabei auch noch bis heute verborgene Prozesse, die uns zum Beispiel im Bereich der Umwelt neue Wege für ihre Erhaltung aufzeichnen. Dabei müssen die Wissenschafterin oder der Wissenschafter sich über ihr Handeln bewusst werden und damit wächst ihre Verantwortung. Auch die Gesellschaft wird den Anspruch an die Wissenschafter stellen, dass sie mit ihrem Spezialwissen verantwortungsvoll umgehen. Nur wenigen dürfte nachfolgender Eid bekannt sein, den junge Phil.II-Doktorandinnen und -Doktoranden nach bestandener Doktorprüfung ablegen. Der Dekan führt dabei aus:
"Als derzeitiger Dekan fordere ich Sie auf, das Versprechen und Gelöbnis abzulegen, dass Sie die wissenschaftliche Forschung stets ehrlich und verantwortungsbewusst betreiben, sie als eine ernste Aufgabe achten und immer mit gewissenhafter Gründlichkeit und unparteiischer Sachlichkeit handeln werden, wenn Ihre künftige Tätigkeit Sie in den Dienst der Wissenschaft stellt."
Die Doktorandin oder der Doktorand antwortet: "Das verspreche und gelobe ich."
Figuren:
Figur 2: Von der Bleistiftmine zum Graphitatom: Gesehen mit dem Auge, dem Lichtmikroskop, dem Elektronenmikroskop und dem Rastertunnelmikroskop
Figur 3: Die Rauhigkeit einer hochpolierten Glasoberfläche gemessen mit dem Rastermikroskop
Figur 4: Spuren einer Compact Disc Figur 5: "Uni Basel"mit Signet zwischen den Spuren einer Compact Disc