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08.11.2019

Otto-Hahn-Preisträger Prof. Jansen im Interview: ,Der Maßstab für meine Arbeit ist immer mein eigener Anspruch gewesen‘

Martin Jansen, Festkörperchemiker, Preisträger des Otto-Hahn-Preises 2019, © Martin Jansen
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(ffm) Am Montag, 11. November, wird dem emeritierten Direktor des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart, Prof. Martin Jansen (75), der mit 50.000 Euro dotierte Otto-Hahn-Preis verliehen. Die auch als „kleiner Nobelpreis“ betitelte Auszeichnung wird alle zwei Jahre an verdiente Naturwissenschaftler verliehen.

Viele Otto-Hahn-Preisträger erhielten für ihre wissenschaftliche Arbeit später den Nobelpreis. Die Auszeichnung wird gemeinsam von der Gesellschaft Deutscher Chemiker, der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und der Stadt Frankfurt verliehen.

Im Interview mit Mirco Overländer spricht der Chemiker über seine Arbeit und darüber, wie er eher zufällig zu seinem Beruf fand.

Herr Prof. Jansen, Sie werden mit dem Otto-Hahn-Preis für Ihre Forschungen im Bereich der anorganischen Festkörperchemie ausgezeichnet. Was ist der konkrete Gegenstand Ihrer Forschungen?

JANSEN: Allgemein gesprochen beschäftige ich mich mit Reaktionen zwischen festen Stoffen – mit dem Ziel, neue anorganische Verbindungen zu synthetisieren und diese dann zu charakterisieren hinsichtlich ihrer Struktur und Zusammensetzung. Inzwischen ist es auch Standard, dass Chemiker eine Grundcharakterisierung der physikalischen Eigenschaften vornehmen. Von den möglichen Stoffklassen stehen bei uns die Oxide, Sauerstoffverbindungen eines Elements, im Fokus, die eine sehr große chemische Variabilität aufweisen. Auch lassen sich mit ihnen besonders verschiedenartige Funktionalitäten realisieren. Ein Markenzeichen unserer Abteilung ist es auch, ungewöhnlichen oder völlig neuen Bindungszuständen nachzugehen.

Das müssen Sie genauer erklären: Womit experimentieren Sie für gewöhnlich?

JANSEN: Eine chemische Reaktion setzt Beweglichkeit der Reaktionspartner voraus, in flüssigen oder gasförmigen Medien ist das immer gegeben. Festkörper dagegen müssen aktiviert werden, was in aller Regel durch Temperaturerhöhung erreicht wird, Druck und mechanische Beanspruchung (mahlen) sind darüber hinaus Reaktionsfördernd. Wir haben ein umfangreiches Repertoire an Methoden zur Hand, das ermöglicht, auf die jeweiligen Reaktionspartner zugeschnittene Reaktionsbedingungen einzusetzen.

Sie haben mit Ihrem Prinzip der rationalen Syntheseplanung die Synthese unbekannter und exotischer Verbindungen revolutioniert. Was genau kann sich ein Laie darunter vorstellen?

JANSEN: Dazu muss ich etwas ausholen: Traditionell ist Festkörpersynthese erkundend angelegt, man durchsucht eine bestimmte Stoffklasse, häufig ohne klar definierte Zielverbindung. Die dabei aufgefundenen, meist mehr oder weniger unvorhersehbaren Verbindungen werden charakterisiert und dokumentiert. So ist ein großer und stetig wachsender Fundus an chemischen Verbindungen entstanden. Ein Anwender, der ein Material mit einer bestimmten Eigenschaft sucht, wählt aus diesem Bestand die am besten für den vorgesehenen Zweck geeignete Verbindung aus. Auch wenn ein auf Erfahrung beruhendes planvolles Vorgehen in der Synthese versucht wird, kommt es immer wieder zu einem „Kolumbus-Erlebnis“, das angestrebte Ziel wird verfehlt, stattdessen eine ganz andere, durchaus interessante Entdeckung gemacht. Diese Situation der mangelnden Kontrolle habe ich immer als wissenschaftlich sehr unbefriedigend empfunden.

Und wie sieht Ihre Lösung aus?

JANSEN: Unser Ansatz beruht auf dem Konzept der Energielandschaft chemischer Stoffe, so haben wir es benannt. Dabei stellen wir uns zunächst alle irgend möglichen Arrangements von Atomen vor. Jede einzelne dieser Anordnungen hat einen bestimmten Energieinhalt, und man kann somit die Menge dieser Konfigurationen einer hochdimensionalen Fläche der Energie zuordnen. Auf dieser Energielandschaft repräsentieren nur die Mulden existenzfähige Verbindungen, alle anderen würden bei endlichen Temperaturen zerfallen. Da die Struktur dieser Landschaft unveränderlich naturgesetzlich festgelegt ist, ist auch der Bestand möglicher Syntheseziele damit allumfassend definiert. Um geeignete Syntheseziele zu identifizieren, müsste man diese Fläche berechnen, was vollkommen außerhalb des heute Möglichen liegt. Für die Analyse solcher Multiminima-Flächen stehen glücklicherweise Methoden der globalen Erkundung zur Verfügung. Dabei werden Zufallswanderungen über dieser Landschaft durchgeführt, die so angelegt sind, dass sie in irgendeinem der vorhandenen Minima enden und damit eine herstellbare Verbindung aufspüren. Damit ist der erste Schritt einer Syntheseplanung getan, ein mögliches Syntheseziel auf systematischem Wege identifiziert. Die Machbarkeit dieses Ansatzes konnten wir belegen, allerdings kann der rechnerische Aufwand für größere praxisrelevante Stoffsysteme heute noch nicht bewältigt werden. Hier sind wir allerdings sehr optimistisch, weil die neuen Entwicklungen in der Informationstechnologie wie Quantencomputing oder Algorithmen des maschinellen Lernens unserem Ansatz zum Durchbruch verhelfen könnten.

Sind aus Ihren Forschungsergebnissen bereits konkrete Anwendungen entstanden?

JANSEN: Unser Hauptanliegen ist Grundlagenforschung, wir haben aber stets auch nach gezielten Anwendungen gesucht und entsprechende Entdeckungen gemacht. Zu nennen wären da etwa neue anorganische Pigmente oder eine amorphe Hochleistungskeramik, die hinsichtlich chemischer und mechanischer Belastbarkeit bei hohen Temperaturen den herkömmlichen kristallinen Keramiken überlegen sind. Das ist besonders interessant für die Raumfahrt und den Turbinenbau, da sich über die damit möglichen höheren Betriebstemperaturen ganz erhebliche Energie- und Schadstoffeinsparungen erzielen lassen. Auch eines der von uns erforschten schwermetallfreien anorganischen Pigmente ist bereits im Handel und wird für Autolacke und Glasuren verwendet. Dann möchte ich noch die gezielte Synthese von Kohlenstoffnanoröhren definierter Durchmesser erwähnen, ebenfalls ein Ergebnis unserer Forschung. Für diese bieten sich im Bereich der Mikro-Elektronik interessante Verwendungen an, beispielsweise als Komponenten in Chips und Prozessoren.

Gab es in Ihrem Forschungsfeld einen konkreten Ausgangs- und Endpunkt, an dem dieses Projekt als abgeschlossen betrachtet werden kann oder ist die rationale Syntheseplanung ein offenes Forschungsfeld, auf dem in absehbarer Zeit weitere Durchbrüche zu erwarten sind?

JANSEN: Es gibt Bereiche in den Wissenschaften, in denen solche Schlusspunkte gesetzt werden können, etwa in der Mathematik: Wenn eine Vermutung schlüssig bewiesen ist, ist das Thema abgearbeitet. Bei meiner Arbeit gilt grundsätzlich: Es gibt keinen solchen Anfangs- und Endpunkt, mit jeder synthetisierten Verbindung etwa tauchen neue Fragen auf. Aber das von uns entwickelte Gedankengebäude zur Syntheseplanung hat Bestand, es ist vollständig, konsistent und seine Machbarkeit ist nachgewiesen. Die Herausforderung besteht nun darin, die Praktikabilität so weit zu führen, dass es zur realen Anwendung kommt.

Ist es für Sie nicht unbefriedigend, nie fertig zu sein?

JANSEN: Das reflektiere ich nicht, ich denke nicht in solchen Kategorien. Ich freue mich an unseren neu gefundenen Verbindungen, oft auch in ästhetischer Hinsicht. Dieses ist in gewisser Weise ein abgeschlossener Vorgang, und das schöne Erlebnis, als erster eine Verbindung in Händen zu haben, kann einem nicht wieder genommen werden.

Gibt es etwas, worauf Sie besonders stolz sind?

JANSEN: Ja: Chemische Verbindungen gefunden zu haben, die so fundamental sind, dass sie in die Lehrbücher aufgenommen wurden. Häufig sind dies einfach zusammengesetzte Verbindungen, nur aus zwei Elementen bestehend. Es ist schwierig, solche neuen binären Verbindungen aufzustöbern, weil die Generationen an Chemikern vor uns dieses Feld schon sehr gezielt bearbeitet haben.

Gab es einen Punkt ihrer Forschung, den Sie rückblickend als Durchbruch bezeichnen würden?

JANSEN: Für mich persönlich war der Übergang von der rein exploratorischen Arbeitsweise in der Synthese zur vorgeschalteten rationalen Planung, also der Übergang von der induktiven zur deduktiven Vorgehensweise von großer Bedeutung. Das Denken in den Kategorien der Energielandschaft chemischer Stoffe hat mich zu einer umfassenden und strukturierten Auffassung der materiellen Welt geführt, damit auch ermöglicht, die eine oder andere etwas mystische Beobachtung in der Festkörperchemie rational einzuordnen.

Welche Bedeutung hat die Zuerkennung des mit 50.000 Euro dotierten Otto-Hahn-Preises für Sie?

JANSEN: Erst einmal freut sich jeder, wenn seine Leistung anerkannt wird. Der Otto-Hahn-Preis aber ist etwas ganz Besonderes: Es ist eine große Ehre für mich, in den Kreis der früheren, wahrhaft herausragenden Preisträger eingereiht zu werden. Auch der Umstand, dass der Preis von zwei sehr anspruchsvollen wissenschaftlichen Gesellschaften, der Gesellschaft Deutscher Chemiker und der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, getragen wird, macht ihn so bedeutsam. Zudem wird diese Auszeichnung im Bereich Chemie nur alle vier Jahre verliehen. Sie ist wohl die höchste Auszeichnung, die man in Deutschland als Naturwissenschaftler erhalten kann.

Haben Sie mit dieser Auszeichnung insgeheim gerechnet?

JANSEN: Der Maßstab für meine Arbeit ist immer mein eigener Anspruch gewesen: Das Ergebnis musste vor allem mir selber gefallen. Beifall von außen war mir höchstens an zweiter Stelle wichtig. Trotzdem haben unsere Arbeiten verschiedentlich erfreuliche Anerkennung gefunden. Mit der Ehre, den Otto-Hahn-Preis zuerkannt zu bekommen, habe ich nun wirklich nicht gerechnet. Ich saß zuhause, als mich der Oberbürgermeister der Stadt Frankfurt anrief und fragte, ob ich den Preis annehmen werde. Da musste ich nicht lange überlegen. Was ich aber nie vergesse, dieses ist auch eine Anerkennung der Arbeit meiner Mitarbeiter, ohne deren kompetenten Einsatz die gewürdigten Leistungen nicht möglich gewesen wären.

Wäre es aus wissenschaftlicher Perspektive wünschenswert, Ihr Forschungsfeld einem breiteren Publikum zugänglich zu machen oder reicht Ihnen die Anerkennung und der Austausch im Kreis der Kollegen?

JANSEN: Es ist generell gut, wenn die Menschen zumindest in Grundzügen etwas von Wissenschaft verstehen. Ein solches Grundwissen ist wichtig, um sich in an auf Fakten basierten demokratischen Entscheidungsprozessen zu beteiligen. Insofern würde ich mehr allgemeines wissenschaftliches Verständnis sehr begrüßen. Ob man unbedingt von meinem Fachgebiet mehr verstehen müsste, weiß ich nicht. Der Austausch im Kreis der Kollegen allerdings ist für mich wie für jeden Wissenschaftler natürlich essenziell, der wissenschaftliche Diskurs ist ein wichtiger Motor des wissenschaftlichen Fortschritts.

Waren Sie bereits in Ihrer Jugend chemiebegeistert oder wie erklären Sie sich Ihren Aufstieg zum international anerkannten Experten für Festkörperforschung?

JANSEN: Ich bin so etwas, was man früher eine Bildungsreserve nannte. Ich hatte nach dem Abitur keine klare Vorstellung, was ich studieren soll und habe an einem vom Arbeitsamt angebotenen Test teilgenommen. Der Berater hat mir dann zu Elektrotechnik oder einem naturwissenschaftlichen Studium geraten. So bin ich ganz ohne Chemiebaukasten zu meinem Beruf gekommen. Tatsächlich hat mich im Studium der zu erarbeitende Stoff von Anfang an sehr interessiert und ihn zu erarbeiten, Freude bereitet. Mein Rekord in Gießen steht übrigens immer noch: Ich habe dort nach sieben Semestern meine mündliche Diplomprüfung absolviert.