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2011 Nobel prize laureate Dan Shechtman talks about quasicrystals, jewelry and being stubborn.


Nachrichten aus der Chemie: Professor Shechtman, this is not your first Nobel-Prize-Meeting now. You have already attended last year the Physics Meeting. But you are a Chemistry Nobel Prize Winner. Was this a surprise for you?
Dan Shechtman: That it was in Chemistry? Yes. And I shouldn't be surprised, and yet I was. Because all or most of the crystallography prizes I have received were in Chemistry, not in Physics. Someone told me, this year you are nominated again for the Nobel prize. And I assumed it was by physics. I was told that in the Nobel committees, they talk to each other and if I am nominated for Physics and for Chemistry, they make one file and they usually give it to Chemistry.
Nachrichten: In the mid-eighties, there were three ground-breaking discoveries concerning the chemistry of materials. The fullerenes, the high temperature super-conductors and your quasicrystals. The researchers of the two first ones received a Nobel Prize very fast. And you had to wait for 30 years. Did you believe finally, that you will ever get it?
Shechtman: I believe, I really think so, that anybody who gets the Nobel prize, deserves it. But that doesn't mean, when you deserve to get a Nobel prize, you will get it. It never bothered me, personally. I always said: They have better candidates than me. I was really cool about it and so it finally came as a total surprise. I was working on my computer, 11:15 in the morning. The phone rings: “Danny speaking”. “Hello, this is the Royal Swedish Academy of Sciences. Please hold the line. Very important message.” I said “Oh oh”. After the announcement they told me; don't tell anybody for half an hour, because at 11:45 we are going to announce it to the world. And so, I left my work, left the computer and was sitting there at my desk, just gazing at the floor in front of me, just looking, thinking, what's going to happen now? And I didn't even imagine, what actually happened after this. I thought: O.k. now there will be three or four more invitations from all over the world, I will speak here and there. I totally missed the reality.


<h2>Inspired to inspire</h2>
Nachrichten: In fact, it completely changed your life?
Shechtman: Yes. I travel around the world; I have endless number of invitations to many different places. I only accept a few, simply because unlike an electron I cannot be at two places at one time and so, but I really try … Let's put it this way: I'm inspired to inspire young people.
Nachrichten: I luckily attend your master class yesterday at the Lindau Nobel meeting. I had the impression that you enjoyed it to give your experience to the young people here.
Shechtman: Lindau is very special. There is no such meeting in the world, where so many Nobel Laureates meet so many students during the long time of one week, which is always full of interactions. This is really unique. Yes, I enjoy it. I am a teacher. I like people to understand what I am talking about. And this is why, I always start very simple. What is order? What is rotation symmetry? I want people to understand what I'm talking about. I feel like a missioner to pull on the education of the young generation. And with all this, promote peace in the world. We live in a very problematic world. We have to work hard, to calm it down and start working and do good things.
Nachrichten: You have always been a dedicated teacher: You have also invented a course at the Technion about entrepreneurship — it's called technological education?
Shechtman: Yes and I will be doing it now for 27 years. Year after year after year. By now I have about 10 000 graduates who are known engineers or scientists in Israel. So, over the last 25 years Israel become a start up nation and I'm proud I have contributed to this.


<h2>Jewelry — Handmade</h2>
Nachrichten: Your hobby is jewelry?
Shechtman: I have a basement with full equipment to do it. I can make jewelry like a little factory. I just don't have time. My last jewelry pieces were in the mid-nineties. All the jewelry belongs to my wife Zippi, a professor at the Haifa University. She gave it for a few months to the exhibition “A Jewel for my Wife” which is shown at Technion. But she always wears some of them.
Nachrichten: I see you are wearing a tie with a quasi-periodic array?
Shechtman: This tie was made for me by my University, the Technion, before my Nobel Prize for my Birthday. And after the Nobel prize the demand became so high, the Technion made 5000 more and now they probably will invest in the third series because they are running out of them.
Nachrichten: What was your way into science?
Shechtman: It was all accidental. I can tell you, when I was young, I wanted to become an engineer, because I admire this book called “The Mystery Island” by Jules Verne. And I can tell you a secret that I have this book with me now and I read it again now after 50 years that I haven't touched it. I brought it here with me, to recall. In this book, there are five characters, who are stranded on an island and they make everything that is necessary to survive — the leader there is a man who is an engineer. And they all obey him, and they all admire him and because he can do anything. And I wanted to be like him. And indeed, after my military service, I went to Technion, and studied mechanical engineering. But then, the year was 1966, it was a big recession in Israel and I couldn't find a job. So I said to myself, I will do my Master's degree and in two years I will find a job. But during these two years, I fell in love with science. And decided to go for my Ph.D. This is why I am here now.


<h2>Living as a maverick</h2>
Nachrichten: In the beginning it was very hard for you to convince people of quasicrystals. Was there one moment, when you wanted to go your lab-boss and say: Yeah, you are right, the crystalls are twins. There are no quasicrystals.
Shechtman: Never. You don't know me. I am almost never affected by other opinions. I repeated my experiments, I was an expert of electron microscopy, and I knew that my experiments were correct. And I said to the others: If you are trying to proof me wrong, repeat my experiments. Show me what is wrong in my experiments. Don't tell me this cannot be, just because you look in the books. And anybody, who repeated my experiments, said, Danny, fantastic. And all these people, who were against me — Linus Pauling as spearhead — were simply wrong. It is a pity: Pauling was really the greatest chemist of the 20th century, definitely in the United States. He was a great scientist. He fought me for ten years: 1984 — 1994 until he died. And he made fun of himself, because after a few years everybody knew that he was wrong. His Papers were finally rejected by the journals and went back to him and he really disgraced himself. It was a sad story.
Nachrichten: Why have quasicrystals not been discovered before 1982?
Shechtman: This is a very good question. Is it because they are very rare? No, there are hundreds of them. Is it because they're esoteric materials? No, they are made of iron and copper and aluminium and magnesium, we use millions of tons of this material around the world every year. Is it because they are not stable? Many are not stable, but what does it mean not stable? It means, that if you heat them up to 400 °C they will transform into something which is periodic. But at room temperature, they are stable.
Nachrichten: So what was the reason?
Shechtman: Electron Microscopy. Quasicrystals had to be discovered by electron microscopy, because they are very small. The traditional crystallographers wanted to have x-ray diffraction data. It took us three years to grow quasicrystals which were large enough. Once we had them — I didn't do that, friends of mine in France and Japan did it, the battle was won.
Nachrichten: But the initial discovery was only possible with electron microscopy?
Shechtman: Yes. And you not only had to be an electron microscopist, you had to be an expert of electron microscopy. And this is what I'm telling now to the students. Do you want to succeed in science or finish it? When you want to succeed in science, you must have a broad knowledge, but you have to develop one peak of expertise. Find something interesting. Bite it. Bite it like a Rottweiler dog. Don't let go. Don't let go until you know what it is. Listen to other people, but if they talk nonsense, shut them up. You have to be stubborn, not in a negative but in a positive sense.
Interview: Christian Remenyi, Vera Köster (<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.chemistryviews.org" target="_blank">www.chemistryviews.org</a></ext-link>)

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“Bite like a Rottweiler”

2011 Nobel prize laureate Dan Shechtman talks about quasicrystals, jewelry and being stubborn. Nachrichten aus der Chemie: Professor Shechtman, this is not your first Nobel-Prize-Meeting now. You have already attended last year the Physics Meeting. But you are a Chemistry Nobel Prize Winner. Wa...

Im flüssigen Zustand erreicht es Temperaturen bis hinunter zu vier Kelvin — weniger als jeder andere Stoff, und Chemiker schätzen es zudem als Inertgas: Helium.
 In der Gaschromatographie und ihrer Kopplung mit der Massenspektrometrie sowie in der Elementaranalyse fungiert Helium als Trägergas. In Kernspintomatographen zur medizinischen Diagnostik und in der NMR-Spektroskopie kühlt es die Magneten. Darüber hinaus spielt Helium bei der Halbleiterherstellung eine Rolle.
Als Schutzgas nutzt die Schweißtechnik beim Metallinertgasschweißen Helium. In der Lasertechnik kommt es als Resonatorgas vor. Die Fähigkeit des Gases, durch jede noch so kleine Pore zu dringen, erleichtert Lecktests.
Die Raumfahrt reinigt mit flüssigem Helium Treibstofftanks, zum Beispiel im Space Shuttle, denn jeder andere Stoff würde bei den extremen Minusgraden im All gefrieren und die Leitungen verstopfen.
Schon jetzt dient Helium zu militärischen Zwecken, etwa als Füllung in weiterentwickelten Luftschiffen, den Aerostats mit ihren elektrooptische Sensoren und Radareinheiten.
Für U-Boote sehen Experten ein Potenzial in heliumgekühlten Sensoren, die Magnetfelder und Magnetfeldänderung messen. Mit einer ähnlichen Sensorik, mit der Sqid-Technik (Superconducting Quantum Interferometer Device), messen Ärzte bereits heute Gehirnströme. Ein dafür verwendeter Magnetenzephalograph braucht zur Kühlung monatlich zirka 400 Liter flüssiges Helium.


<h2>Schwindende US-Reserve</h2>
Die militärischen Aspekte der Luftschifffahrt führten dazu, dass die USA in den 1920er Jahren eine nationale Heliumreserve bei Amarillo (Texas) anlegten. In der Spitze umfasste sie zirka eine Milliarde Kubikmeter. Inzwischen glaubt die US-Regierung, darauf verzichten zu können. So wird die Reserve verkauft, nach und nach in Portionen von zirka 60 Millionen Kubikmetern pro Jahr. Das macht ein Drittel des Weltjahresbedarfs an Helium aus; der Rest stammt aus natürlichen Ressourcen.
Auf der Erde liegt Helium als Ergebnis des α-Zerfalls schwerer Elemente (z. B. Uran, Thorium) unter anderem in Mineralien wie Monazit vor. Wirtschaftlich ist es nur aus Erdgas durch fraktionierte Destillation zu gewinnen. Selbst reichhaltige Lagerstätten enthalten freilich nur einige Volumenprozente.
Der vom US-amerikanischen Bureau of Land Management festgesetzte Offenmarktpreis für Rohhelium ist in diesem Jahr um 11 Prozent gestiegen, von 75,75 auf 84 US-Dollar pro tausend Kubikfuß, das entspricht knapp 2 Euro bzw. 2,20 Euro pro Kubikmeter. Damit liegt der Heliumpreis etwa 77 Prozent über dem Niveau von 1998. Seither ist er kontinuierlich gestiegen, besonders stark in den letzten drei Jahren.
Der Abverkauf der nationalen US-Heliumreserve hat den Heliumpreis künstlich niedrig gehalten, über Jahre hinweg bildete sich kein realistischer Marktpreis. Daher wurden keine alternativen Quellen entwickelt. Die erste größere Heliumknappheit in Europa gab es im Jahr 2001, den ersten spürbaren Engpass in den USA mit Ausstrahlung nach Europa im vergangenen Jahr.


<h2>Hier lagert Helium</h2>
Die Ressourcen in den USA beschränken sich im Wesentlichen auf Standorte in Wyoming, Südost-Utah, Ost-Arizona und Oklahoma. Sie alle sind über eine Pipeline mit der nationalen Heliumreserve (Cliffside Field Bush Dome) verbunden, die eigentlich bis zum Jahr 2015 bis auf einen Grundstock abgebaut sein sollte. Je nach Entwicklung der Weltwirtschaft könnte sich dies noch bis etwa 2020 hinauszögern.
Außerhalb der USA erscheinen hauptsächlich Katar, Arzew und Skikda in Algerien sowie Orenburg in Russland interessant. Dazu kommen, allerdings weniger bedeutend, Odolanov in Polen und Darwin in Australien. Aktuell verzögert sich die Inbetriebnahme dreier Quellen in Katar, Algerien und in den USA, in Wyoming, so dass die ursprünglich einmal prognostizierte Weltheliumproduktion von über 200 Millionen Kubikmetern im Jahr 2013 nicht erreicht wird. Stattdessen halten sich Angebot und Nachfrage ziemlich genau die Waage.
Die Gaslieferanten schätzen die Lage zwar nicht wie noch vor anderthalb Jahren als brisant ein, gibt aber keine Entwarnung. Der Heliumbedarf steigt — mit neuen Anwendungen und dem größerem Durst in den sich entwickelnden Ländern. Diese rüsten zum Beispiel ihre medizinische Diagnose-Infrastruktur mit Kernspintomographen auf. In welchem Tempo sich die Entwicklung fortsetzt, ist schwer einzuschätzen; jede Prognose verweisen die Hersteller in den Bereich der Spekulation.


<h2>Ersatz für das Trägergas</h2>
Chemiker stellen sich vorsichtshalber auf Änderungen ihrer Analysenmethoden ein. Insbesondere in GC, GC/MS und Elementaranalyse sind, gegebenenfalls in Zusammenarbeit mit den Geräteherstellern, heliumfreie Alternativmethoden zu entwickeln.
So kann die Gaschromatographie statt Helium den preiswerteren Wasserstoff verwenden, solange die reduzierende Atmosphäre nicht zu chemischen Reaktionen der Analyten führt. Explosionen erscheinen unwahrscheinlich, und teilweise sind marktübliche GC/MS-Systeme bereits auf den Einsatz mit Wasserstoff getestet, darunter von Thermo Fisher Scientific. Agilent gibt spezielle Sicherheitshinweise für seine Geräte, wenn sie mit Wasserstoffe als Trägergas betrieben werden sollen.
Aus chromatographischer Sicht hat Wasserstoff einige Vorteile gegenüber allen anderen Gasen, wie Panos Meletis, GC/GC-MS-Produktspezialist bei Shimadzu Deutschland, berichtet. So ist ohne weiteres eine höhere Trägergasgeschwindigkeit möglich, ohne an Trenneffizienz zu verlieren. Eine ganze Reihe von Systemen ist vom Werk aus auf die Verwendung von Wasserstoff vorbereitet — Umbauten sind nicht erforderlich. Für die Versorgung empfiehlt das Unternehmen Wasserstoffgeneratoren, die immer nur geringe Mengen des Gases zum zeitnahen Verbrauch herstellen. Demgegenüber wäre das Aufstellen von Gasdruckflaschen mit zusätzlichen Auflagen verbunden. Etwaige Lecks erkennen moderne Gasgeneratoren selbst — genauso wie die neueren Gaschromatographen. Als Gegenmaßnahme wird die Wasserstoffversorgung dann automatisch gestoppt. Als einziges Risiko bleiben Undichtigkeiten durch defekte Säulen, dabei bleiben die austretenden Mengen minimal und sind unkritisch.
Die Elementaranalytik von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel ersetzt Helium durch Argon. Ein herkömmlicher Wärmeleitfähigkeitsdetektor kann Helium und Stickstoff zwar gut auseinanderhalten, bei Argon und Stickstoff kommt er jedoch an seine Grenzen. CO2, das bei der Elementaranalyse als Verbrennungsprodukt entsteht, lässt sich nach gängiger Lehrmeinung in Argon als Trägergas gar nicht bestimmen, denn die Wärmeleitfähigkeiten beider Gase liegen zu nahe beieinander. Trotzdem erreicht Elementar Analysensysteme, Hanau, nach eigenen Angaben durch eine Kombination aus einem empfindlichen Wärmeleitfähigkeitsdetektor und einer auf das Messverfahren abgestimmten Elektronik die Unterscheidung zwischen Argon und Kohlendioxid. Letzteres eignet sich auch als Trägergas und damit als Alternative zum Helium.
In der NMR-Spektroskopie erscheint die Rückgewinnung von Helium als einzig realistische Antwort.
Die Umstellung von validierten Verfahren bedeutet hohen Aufwand — allen voran in der Pharmaanalytik. Schlimmstenfalls könnte die plötzliche Nichtverfügbarkeit von Helium für eine bei den Behörden gemeldete Analysemethode die gesamte Produktion lahmlegen. Hier hilft es nur, sich mit dem Regierungspräsidium über Alternativen abzustimmen, die schnell einsatzbereit sind.


<h2>Auffangen und zurückgewinnen</h2>
In größeren Einrichtungen, etwa Universitäten mit Verbrauchern aus mehreren Fakultäten, lohnt es sich, Helium, das seine Kühlaufgaben erfüllt hat, über ein Rohrleitungsnetz zentral zu sammeln. Wenn die Gassammelblase voll ist, saugen Hochdruckgasverdichter das Helium an und verdichten es auf 200 bis 300 bar. Gespeichert wird es anschließend in Hochdruckgasbehältern. Von dort aus wird es in die Verflüssigungsanlage eingespeist, wo es sich mit frischem Helium mischt (z. B. Bauer Kompressoren, München). Auf diese Weise verwendet die Universität Konstanz jeden Liter flüssiges Helium 30 Mal. 5500 Liter befinden sich im Gesamtsystem im Umlauf, wobei aufgrund von Verlusten 2300 Liter jährlich nachzufüllen sind. Die Gesamtproduktion beträgt dabei 70 000 Liter pro Jahr.
Für Kleinverbraucher, etwa mit einem Heliumbudget von 1000 Euro im Jahr, lohnt sich die Rückgewinnung nicht. Selbst ein Labor, mit zehn NMR-Geräten kommt kaum über 300 Milliliter pro Stunde hinaus. Rückgewinnung lohnt sich erst in einem größeren Verbund einschließlich physikalischem Tieftemperaturlabor. Alternative: Das Helium wird aufgefangen, in Gasflaschen komprimiert und anschließend zur Verflüssigung an den Lieferanten weitergegeben. In den letzten Jahren verzeichneten spezialisierte Kompressorenhersteller angesichts gestiegener Heliumpreise neben starker Nachfrage nach den großen Lösungen einen Trend zu kleineren Anlagen — sowohl bei Forschungsinstituten als auch bei der Industrie, hier hauptsächlich für Leckage-Tests. Die Kompressorenleistung beträgt in diesem Bereich etwa 200 bis 400 Liter pro Minute (5,5 kW).
Die Investitionskosten für einen kleinen stationären Kompressor mit Gasspeicherballon, Aufbereitungssystem und Speicher beginnen inklusive Installation bei etwa 30 000 Euro. Hinzu kommen die laufenden Kosten für Energie und Wartung. Mit diesen Eckpunkten lässt sich recht schnell ausrechnen, ob sich eine Heliumrückgewinnung lohnt. Wenn für den Kompressor nur ein Raum mit wenig Kühlluft vorhanden ist, wird er mit Wasser gekühlt; ein Weg, der sich immer mehr durchsetzt.
In Österreich scheint nach Informationen aus der Universität Wien die Heliumversorgung weniger angespannt zu sein als in Deutschland. Lieferengpässe gab es nur in geringem Maße. Dennoch erwarten die Institute, dass Helium knapper und teurer wird. Daher plant die Universität, NMR-Geräte aus verschiedenen Instituten der Universität räumlich zusammenzulegen, damit es sich gegebenenfalls lohnt, eine Heliumrückgewinnung zu installieren.


<h2>Sparen</h2>
Viele Leckage-Tests funktionieren auch mit Luft mit zehn Prozent Helium-Beimischung. Sparen lässt sich ebenso bei supraleitenden Magneten: durch Systeme mit reduziertem Heliumverbrauch oder größeren Nachfüllintervallen. Typischerweise sind es sechs Monate, aber es werden auch Ein-Jahres-Haltezeiten angeboten (z. B. von Bruker BioSpin, Rheinstetten). Wer auf Sicherheit bedacht ist, bestellt frühzeitig und schließt einen Heliumliefervertrag ab — vorzugsweise langfristig und keinesfalls nur bis zur Jahresmitte: Erfahrungsgemäß treten Engpässe bevorzugt im dritten und vierten Quartal auf.
Um den Verbrauch bei den bildgebenden Verfahren wie Kernspintomatographie (magnetic resonance imaging, MRI) zu reduzieren, lohnen sich rückgekühlte Magnete. Bei dieser Technik, die sich in den letzten zehn Jahren etabliert hat, kondensieren Pulsrohrkühler das gasförmige Helium. Mit einem typischen Verbrauch der MRI-Supramagnete zwischen 0,5 und 2 Litern pro Stunde beträgt die Anschlussleistung für ein solches Kühlsystem zwischen 6 und 8 Kilowatt. Dies setzt sich nun auch in NMR-Laboren mit ihrem viel niedrigeren Heliumverbrauch (10 bis 35 Milliliter pro Stunde) und der viel höheren Empfindlichkeit gegenüber Vibrationsstörungen durch (z. B. bietet Bruker Biospin, Rheinstetten, seit April für seine Geräte Pulsrohrkühlung ab etwa 200 000 Euro Aufpreis).


<h2>In der Physik absolut notwendig</h2>
Unverzichtbar bleibt Helium für die Teilchenphysiker, zum Beispiel am Genfer Forschungszentrum Cern. Experimente wie im Large Hadron Collider brauchen Supramagneten mit starker Kühlung, Sparen geht hier schlecht. Bei Heliumknappheit dürfte es gesellschaftlich am ehesten akzeptiert werden, die Aufklärung des Ursprungs der Welt um einige Jahre aufzuschieben. Könnten sich die Wissenschaftler statt auf Teilchenkollisionen nicht stärker auf die Verfeinerung ihrer Theorien konzentrieren? Das brächte keinen Vorteil beim Helium: Die heute üblichen Computer brauchen beim Rechnen ebenso wie zum Übermitteln von Daten Halbleiterelemente auf dem Stand der Technik — deren Produktion erfordert Helium. Eine Alternative für dieses Element ist hier nicht in Sicht.
Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie


<h2>QUERGELESEN</h2>
Der Preis für das knapp werdende Helium ist in den letzten drei Jahren besonders stark gestiegen.
In der Chemie dient Helium vor allem als Trägergas in der Gaschromatographie und in der Elementaranalytik (CHNS-Analytik) sowie als Kühlmittel in der Kernspin-Resonanzspektroskopie.
Helium als Trägergas lässt sich in vielen Fällen ersetzen, etwa durch Wasserstoff oder Argon. Als Kühlmittel ist es unersetzlich. Hier kann sich die Rückgewinnung lohnen.

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