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CHEMIENOBELPREIS 1991: RICHARD ROBERT ERNST

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Chemienobelpreis 1991: Richard Robert Ernst
 
Der Schweizer Wissenschaftler erhielt den Nobelpreis für seine Beiträge zur Entwicklung der hochauflösenden Kernresonanzspektroskopie, einer Methode zur Analyse von Molekülstrukturen.
 
 Biografie
 
Richard Robert Ernst, * Winterthur (Schweiz) 14. 8. 1933; ab 1963 Mitarbeiter in der Forschungsabteilung von Varian Associates, einer auf Spektrometer spezialisierten Firma in Palo Alto (Kalifornien), ab 1968 an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich, ab 1976 dort Professor; Arbeiten über Resonanzspektroskopie.
 
 Würdigung der preisgekrönten Leistung
 
Als der Nobelpreis für Chemie im Jahr 1991 bekannt gegeben wurde, stutzte mancher Beobachter erst einmal.»Hat es nicht für die Nuclear Magnetic Resonance (NMR)-Spektroskopie schon einmal eine Auszeichnung gegeben?«, mag sich mancher gedacht haben. So ist es auch, denn bereits 1952 waren Felix Bloch und Edward Purcell mit dem Nobelpreis für Physik geehrt worden, weil sie die Kernresonanz-Spektroskopie entwickelt hatten. Praktisch funktionierte diese wichtige Analysemethode aber genau genommen nur für das Wasserstoffatom. Erst als Richard Ernst die NMR-Spektroskopie mehrmals mit unterschiedlichen Methoden drastisch verbesserte, fand sie in weiten Bereichen der Chemie, später auch in der Biologie und Physik breite Anwendung. Heute diagnostizieren Ärzte mithilfe der Verbesserungen des Schweizer Wissenschaftlers sogar Krankheiten. Kurz gesagt: Entdeckt haben andere Forscher die NMR-Spektroskopie. Aber Ernst hat ihr zum Durchbruch verholfen. Deshalb mag der Chemienobelpreis 1991 zwar verblüffen, er ist aber nichtumstritten.
 
 Der Spin der Atomkerne
 
Die Grundlage der NMR-Spektroskopie ist eine simple Beobachtung: Bestimmte Atomkerne verhalten sich in einem äußeren Magnetfeld wie winzige Kompassnadeln, die sich entlang der Magnet-Feldlinien anordnen. Diese Eigenschaft beruht auf dem so genannten Eigendrehimpuls oder Spin der Atomkerne. Diesen Spin stellt man sich am besten so vor, als wenn der Atomkern ähnlich wie der Globus um die eigene Achse rotieren würde. So lässt sich auch erklären, weshalb diese Spins umklappen können: Eine Kugel kann entweder rechts oder links herum rotieren, dazwischen gibt es keine Möglichkeit. Genauso verhalten sich auch die Atomkerne, die sich parallel zu einem Magnetfeld ausgerichtet haben: Strahlt man Energie in Form von Radiowellen ein, klappen einzelne dieser Miniatur-Kompassnadeln um und stehen nun antiparallel zum Magnetfeld — ihre Drehrichtung hat sich geändert.
 
In einem typischen NMR-Experiment strahlen die Wissenschaftler nacheinander verschiedene Frequenzen ein, wobei jede Frequenz einer bestimmten Energie entspricht. Da der Spin der Atomkerne nur dann umklappt, wenn eine ganz bestimmte Energie eingestrahlt wird, erkennen die Forscher diese so genannte Resonanzenergie genau. Da sich die Resonanzenergie an sich gleicher Atomkerne je nach den Nachbaratomen in einem Molekül unterscheidet, lässt sich mit ihrer Hilfe die Struktur eines Moleküls im Prinzip ermitteln.
 
Ein Chemiker hätte damit ein wichtiges Hilfsmittel in der Hand, um den Aufbau eines neu hergestellten, bisher unbekannten Moleküls zu erforschen. Er müsste in der Theorie nur die Daten bereits untersuchter Verbindungen mit seinen Ergebnissen vergleichen und dann auf die neue Struktur schließen. In der Praxis aber dauert es sehr lange, bis nacheinander verschiedene Frequenzen eingestrahlt und analysiert werden.
 
 Richard Ernsts Neuerungen
 
Ernst beschleunigte dieses Verfahren enorm, als er begann, alle Radiofrequenzen auf einmal einzustrahlen. Damit stimulierte er sämtliche im Molekül vorhandenen Resonanzen gleichzeitig und erhielt auch sämtliche Signale dieser Anregung auf einmal. Nun hatte aber bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts der französische Mathematiker Jean Baptiste Fourier ein Verfahren entwickelt, das nachträglich die Summe einer Vielzahl von Signalen in ihre Bestandteile auflöst. Mithilfe moderner Computer ist diese Fourier-Transformation sehr schnell zu leisten. Sie ermöglicht es so, ein bisher über fünf Minuten aufgezeichnetes NMR-Signal in nur einer Sekunde zu gewinnen.
 
Diese Beschleunigung wiederum lässt sich auch nutzen, um Einzelmessungen mehrmals zu wiederholen. Addiert man die erhaltenen Daten, hebt sich zufälliges Rauschen weitgehend auf, während das eigentliche Signal verstärkt wird. Damit konnten Chemiker erstmals neben dem Wasserstoff auch Atomkerne untersuchen, die wie Kohlenstoff-13 und Stickstoff-15 zwar ebenfalls gute NMR-Signale geben, die aber in der Natur so selten sind (auf 100 Kohlenstoff-12-Atome ohne Kernspinresonanz kommt normalerweise ein Kohlenstoff-13, beim Stickstoff kommen gar 300 Stickstoff-14 ohne Resonanz auf ein Stickstoff-15), dass ihr Signal mit den alten Methoden im Rauschen unterging. Die chemische Analyse erlebte so mithilfe der Fourier-Transformation einen regelrechten Quantensprung.
 
 Die zweidimensionale Fourier-Transformation
 
Ernst aber wollte sich mit dieser Verbesserung nicht zufrieden geben. Zwischen 1971 und 1976 entwickelte er die zweidimensionale Fourier-Transformation. Dabei strahlt man eine veränderliche Folge von Radioimpulsen auf die Probe, verändert die Zeiten, in denen diese »Störung« die Kerne beeinflusst, und zeichnet das NMR-Signal bei verschiedenen Folgen auf. Auf diese Weise entsteht ein zweidimensionales Bild. Dabei kann man sich eine Dimension als das Relief eines Gebirges vorstellen, das ein Betrachter aus der Ferne sieht. Die zweite Dimension gibt den Blick aus einem Flugzeug wieder, das hoch über den Gipfeln das Panorama aufzeichnet. Die Kombination beider Perspektiven vermittelt natürlich erheblich mehr Informationen als die Summe beider Dimensionen. Erneut war Richard Ernst ein Quantensprung für die Analyse chemischer Verbindungen gelungen.
 
Mithilfe der zweidimensionalen Fourier-Transformation lässt sich die NMR erstmals auch gut auf große Moleküle wie Proteine und den Träger der Erbinformation Desoxyribonucleinsäure (DNA) anwenden. Das ist ein gewaltiger Fortschritt, denn solche Substanzen ließen sich vorher nur mithilfe der Röntgenstruktur-Analyse untersuchen. Diese jedoch benötigt hochreine Kristalle, die sich gerade von großen Biomolekülen kaum gewinnenlassen. NMR aber kann man mit jeder Materie durchführen. Die Struktur der Verbindungen von Proteinen oder DNA mit anderen Substanzen lässt sich mithilfe der NMR untersuchen, sogar die Bildung einer Verbindung kann mit dem Verfahren beobachtet werden. Ernst hat die NMR-Methode so zu einem sehr wirkungsvollen Werkzeug in den Händen von Wissenschaftlern vieler verschiedener Disziplinen gemacht und verdient den Nobelpreis daher völlig zurecht — auch wenn die Auszeichnung für die gleiche Methode fast 40 Jahre vorher schon einmal verliehen wurde.
 
R. Knauer, K. Viering


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