Physik, Medizin, Chemie: Nobelpreise 2023 einfach erklärt

Liebe/r Leser/in,

Synthese von Quantenpunkten, Attosekunden-Lichtimpulse, mRNA-Impfstoffe: Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften hat die Preisträger und Preisträgerinnen für den Nobelpreis in den Kategorien Medizin, Chemie und Physik verkündet. Doch was bedeuten ihre Entdeckungen, und was können sie leisten? Im aktuellen Newsletter des FOCUS-Wissensressorts erklären wir die drei ausgezeichneten Forschungsbereiche kurz und knapp.

Aus der Natur stellen wir Ihnen einen weiteren Star vor – derzeit vollführt er einen zauberhaften Tanz am Himmel.

Eine schöne Woche wünscht

Sonja Fröhlich
Wissen & Gesundheit

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Sie haben eine völlig neue Art von Material erschaffen und der Menschheit eine unvorstellbar winzige Welt erschlossen: Den Nobelpreis für Chemie erhalten in diesem Jahr die drei in den USA lebenden Wissenschaftler Alexei Ekimov, Louis Brus und Moungi Bawendi für ihre Entdeckung der Quantenpunkte.

Quantenpunkte sind Kristalle, die oft nur aus wenigen Tausend Atomen bestehen. Ihre Größe misst sich in Nanometern, in den Milliardsten Teilen eines Meters. Sie sind eine Million Mal kleiner als der Kopf einer Stecknadel. So winzig sind sie, dass es eng wird für die Elektronen, die um die Atomkerne schwirren. Seltsame Phänomen treten deshalb auf – sogenannte Quanteneffekte. So emittieren Quantenpunkte Licht in anderen Farben, als sie es absorbieren. Aus Grün kann Rot werden.

Der gebürtige Russe Alexei Ekimov stellte Quantenpunkte aus Kupferchlorid her, der aus Cleveland stammende Louis Brus arbeitete mit Cadmiumsulfid, und dem in Frankreich und Tunesien aufgewachsenen Moungi Bawendi gelang es, die mikroskopischen Kristallstrukturen in beliebiger Größe heranwachsen zu lassen und sie so mit maßgeschneiderten Eigenschaften auszustatten. Die Periodentafel der Elemente erhielt eine dritte Dimension.

Moderne Nanotechnologie wäre ohne diese Entdeckungen kaum denkbar. Quantenpunkte stecken in den Bildschirmen von Computern und TV-Geräten mit QLED-Technologie (Q steht für Quantenpunkt.) Sie verleihen dem kalten Licht von LED-Lampen angenehme Wärme. Mediziner nutzen sie, um Tumorgewebe aufzuspüren. Chemiker beschleunigen mit ihnen verschiedene Reaktionen. Und schon bald könnten Quantenpunkte die Effizienz von Solarpanelen steigern oder Quantencomputern zum Durchbruch verhelfen. Es wären große Fortschritte dank kleinster Einheiten.

Bernhard Borgeest
Wissen & Gesundheit

Es ist ein Naturphänomen, das sich alljährlich im Frühjahr und Herbst in der Wattenmeerregion abspielt: Hunderttausende Stare versammeln sich im deutsch-dänischen Grenzgebiet auf der Durchreise von den Brutgebieten im Norden zu den Winterquartieren im Süden. Dabei fliegen sie in riesigen Schwärmen immer neue Formationen und Muster, mitunter verdecken sie sogar die Sonne. Daher hat das Schauspiel auch seinen Namen „schwarze Sonne“ oder „sort sol“, wie es im Dänischen heißt. Die Stare wählen das Wattenmeer als Futterstation, weil es hier große Viehweiden mit vielen verschiedenen Insekten gibt.
Foto: Carsten Rehder/dpa

Nicht nur Österreich, auch Ungarn und Deutschland waren am Dienstag in Jubelstimmung: Der am deutschen Max-Planck-Institut für Quantenoptik forschende österreichisch-ungarische Physiker Ferenc Krausz hat den Nobelpreis für Physik gewonnen. Die Auszeichnung erhielten er und seine Kollegen Pierre Agostini und Anne L’Huillier für Leistungen in der Attophysik. Mit ihren Entwicklungen lässt sich erstmals beobachten, wie sich Elektronen in Atomen bewegen.

Ferenc Krausz und seinem Team ist es gelungen, ultrakurze Lichtblitze zu erzeugen, die nur einige Attosekunden dauern. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde (0,06-0000000000000001 Sekunden). Zum Vergleich: Licht braucht vom Mond zur Erde eine Sekunde, von Rennes nach Paris eine Millisekunde, durch ein französisches Baguette eine Nanosekunde, durch ein dünnes Käsespapier eine Picosekunde und eine Femtosekunde, um dort eine Laktobazille zu durchdringen. Vom einen zum anderen Ende eines winzigen Wassermoleküls in dieser Bakterie braucht das Licht eine Attosekunde.

In den Lasersystemen wirkt der Attosekundenblitz wie ein extrem kurzer Fotoblitz und friert die Bewegung zu einem bestimmten Zeitpunkt ein. Auf Basis der Forschungen sind neue Entwicklungen entstanden, wie die hochauflösende Mikroskopie lebender Organismen, wie sie etwa bei der Früherkennung und Therapie bösartiger Tumoren eingesetzt wird.

Sonja Fröhlich
Wissen & Gesundheit

Die gebürtige Ungarin Katalin Karikó, 68, und der 64-jährige US-Amerikaner Drew Weissman erhalten den Nobelpreis für Medizin oder Physiologie 2023 dafür, dass sie eine wichtige Grundlage für die Entwicklung der mRNA-Impfstoffe gegen das pandemische Coronavirus gefunden haben. Die milliardenfach verabreichten Vakzine von Biontech/Pfizer und Moderna sind mRNA-Impfstoffe. Die RNA (Ribonukleinsäure) hat viele Funktionen. Unter anderem übersetzt sie genetische Informationen in Proteine, die Wirkstoffe allen Lebens. Die Messenger-RNA (mRNA) ist der Bote. Diesen kann man mit einem Programm bestücken, Proteine im Körper eines Menschen herzustellen. Im Fall der Corona-Impfung enthält die mRNA die Bauanleitung für das Stachelprotein des Virus. Immunzellen reagieren darauf und beginnen, die Viren zu bekämpfen.

Karikó und Weissman überwanden das große Problem, dass die mRNA instabil ist und starke Entzündungsreaktionen hervorruft. Sie fanden heraus, dass eine ihrer Basen – Uridin – dafür verantwortlich ist und ersetzten sie durch eine offenbar harmlose Form, Pseudouridin. Zugleich sahen sie, dass sich die Proteinproduktion erhöhte. Im Jahr 2005 veröffentlichten Karikó und Weissman ihre Erkenntnisse. 2013 engagierte Firmengründer Ugur Sahin Karikó bei Biontech. Zunächst wollte man das Wirkprinzip gegen Krebs einsetzen. 2020 kam die Pandemie. Biontech und Moderna wandten es bei der Impfstoffentwicklung an – mit Erfolg.

Kurt-Martin Mayer,
Wissen & Gesundheit