Benzol (C6) war meine Verzweiflung und mein Durchbruch -
Die Geschichte hinter dem Symbol meines Complexity Compass
Seit vielen Jahren ist ein Hexagon (bzw. ein Ring) aus 6 C's für mich ein kraftvolles und bedeutsames Symbol. Für mich ist dieses Hexagon mein Complexity Compass.
In der Physik oder Chemie steht ein Ring bzw. Hexagon aus sechs C's für eine Anordnung von sechs Kohlenstoff Atomen. Dies kann der Ring eines Benzolmoleküls (C6H8) sein oder auch die Grundeinheit des Nanomaterials Graphen. Seit meiner eigenen Forschung in diesem Bereich sind sowohl Benzol als auch Graphen für mich äußerst symbolträchtige Materialien geworden.
Falls Sie sich also nicht scheuen, ein wenig über Physik zu lesen: Nehmen Sie sich den Moment Zeit und nehmen Sie Anteil an dieser Seite meiner Geschichte...
Benzol
Das Molekül Benzol war der Grund für meine tiefste Verzweiflung während meiner Doktorarbeit - und führte schließlich zu dem Aha-Moment, der wieder Lust am Forschen in mir weckte und meine gesamte weitere Dissertation leiten sollte.
Im Jahr 2009 führte ich Experimente durch, um zu verstehen, auf welche Weise kleine organische Ringmoleküle Bindungen ausbilden zu Kristalloberflächen. Moleküle gehören in die Welt der Chemie und Kristalle gehören in die Welt der Physik. Meine Arbeit bestand also darin, zu verstehen, wie diese Welten (Physik und Chemie) sich verbinden und miteinander kommunizieren.
Ich hatte bereits einige Experimente mit anderen Molekülen durchgeführt und einen Weg gefunden, nachzuvollziehen, wie diese Moleküle Bindungen zu der Oberfläche ausbildeten. Diese Experimente auch mit Benzol durchzuführen, sollte eigentlich nur noch das letzte Puzzleteilchen sein in dem Verständnis, das ich über die Verbindung zwischen Molekülen und Oberflüchen gewonnen. Eigentlich sollte es nur bestätigen, was ich schon zu wissen glaubte. Doch das ging gründlich schief!...
Als ich mein Experiment durchführte, zeigten alle meine Messungen, das an der Oberflüche quasi gar nichts passierte. In allen vorherigen Experimenten hatte die Oberflüche signifikant auf die Ankunft der Moleküle reagiert. Bei Benzol jedoch tat sich entgegen aller Erwartungen nichts.
Ich war schockiert.
Zunächst glaubte ich, einen Fehler gemacht zu haben und wiederholte das Experiment. Das Ergebnis blieb das gleiche. Ich prüfte die gesamte Apparatur, baute sie teilweise ab und wieder neu auf. Doch das Ergebnis änderte sich nicht: Die Moleküle waren eindeutig auf der Oberfläche angekommen, doch die Oberflüche schien (anders als bei anderen, ähnlichen Molekülen) überhaupt nicht daran interessiert zu sein, mit dem Molekül eine Bindung einzugehen. Wie konnte das sein?...
Aromatizität - Der Schlüssel zur Stabilität von Benzol
Es dauerte eine Weile, ehe ich mich in die relevante chemische Literatur eingelesen hatte und herausfand, dass Benzol eine einzigartige Eigenschaft besaß, die es von allen Molekülen unterschied, die ich vorher untersucht hatte. Benzol ist aromatisch. Was bedeutete das?
Als Benzol entdeckt wurde, kannten Chemiker lediglich Moleküle, die aus Ketten von Kohlenstoff und anderen Atomen bestanden. Benzol jedoch wies einige Eigenschaften auf, die sich die Chemiker nicht erklären konnten. Nach Jahren der Forschung hatte August Kekulé schließlich einen Tagtraum (eine Schlange, die sich in den eigenen Schwanz biss), der eine grundlegende Revolution einläutete: Sein Traum brachte ihn dazu, die Hypothese aufzustellen, dass Benzol ein Ring von Kohlenstoffatomen war und eben keine Kette. Diese Ringstruktur von Benzol konnte später nachgewiesen werden, was das gesamte Verständnis von molekularer Chemie revolutionierte und Kekulé den Nobelpreis einbrachte.
Bei Benzol führt diese Ringstruktur zu einem ganz besonderen Phänomen. Die Kohlenstoffatomen im Molekül teilen sich ihre Bindungselektronen nicht nur mit ihrem Nachbaratom, wie es sonst der Fall ist. Vielmehr werden im Benzolmolekül diese Elektronen mit dem gesamten Molekül geteilt! Alle Kohlenstoffatome steuern ihre Bindungselektronen zu einem gemeinsamen delokalisierten Ring von Elektronen bei, der sich über das gesamte Molekül verteilt. Dies hat enorme Auswirkungen: Da sich alle Atome alle Elektronen teilen wird das Molekül in seiner Gesamtheit erheblich stabiler als vergleichbare Ringmoleküle, bei denen die Elektronen lokalisiert zwischen einzelnen Atomen bleiben. Tatsächlich war dieses Phänomen so besonderes, dass es einen besonderen Namen erhielt. Moleküle mit solcherart delokalisierten Elektronenringen nennt man aromatisch.
In meinen Experimenten zeigte sich, dass Benzol wegen dieser Aromatizität so stabile Bindungen hatte, dass es nicht besonders stark mit der Oberflüche reagierte. Es war nicht bereit, seine eigenen Bindungen zu öffnen, um neue sogenannte kovalente Bindungen mit der Oberfläche einzugehen. Deshalb sah ich in meinen Messungen keine Veränderungen, denn meine Apparatur schaute vor allem darauf, wie sich die Oberfläche verhielt. Benzol bevorzugte es, in seiner Ringstruktur zu bleiben, und gewissermaßen "lose" auf der Oberflüche zu liegen, während alle anderen nicht-aromatischen Moleküle so stark mit der Oberflüche reagierten, dass sie selbst und die Oberflüche sich dabei veränderten.
Ab diesem Zeitpunkt konnte ich systematisch den Einfluss von Aromatizität auf die Wechselwirkung zwischen Molekülen und Oberflüchen untersuchen. Und dies leitete fortan meine gesamte weitere Dissertation...
Vielleicht ahnen Sie bereits, warum dieses Phänomen für mich solche Bedeutung über die Physik hinaus erlangte:
Moleküle, die ihre Elektronen für einen gemeinsamen Bindungsring zur Verfügung stellen sind stabiler als Moleküle, die dies nicht tun. Der gemeinsame Ring verleiht Benzol seine Stabilität, seine Kraft. Und: Diese Ringstruktur wurde in einem Traum entschlüsselt und veränderte die Chemie für immer. Es war nicht nur ein Ergebnis rationaler Analyse, sondern auch eine Eingebung kreativer Intuition.
Blick auf unsere Messapparatur am Berliner Elektronen-speicherring und Synchrotron BESSY II in Adlershof
Graphen
Das Nanomaterial Graphen (und sein Silizium-basierter Bruder Silizen) folgen einem ähnlichen Prinzip und sind vielleicht noch faszinierender als Benzol.
Graphen ist eine 2-dimensionale Schicht aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen. In gewisser Weise ist es eine größere Version von Benzol. Anstatt eines einzigen C6-Ringes bzw. Hexagons (Benzol) ist es eine "unendliche" Aneinanderreihung solcher Kohlenstoff Hexagons. Aufgrund dieser hexagonalen Struktur macht Graphen etwas außergewöhnliches, ähnlich wie Benzol: die Kohlenstoffatome in Graphen spenden ihre Bindungselektronen an eine Schicht, die sich über die gesamte (!) Graphenschicht erstreckt. Das bedeutet, dass die Elektronen nirgendwo mehr lokalisiert sind, sondern wie Wasser über die gesamte Schicht verschwimmen. Als eine Konsequenz daraus, ist Graphen geradezu absurd stabil. Sie müssen sich vorstellen: Obwohl eine Graphenschicht nur eine einzige Atomlage (!) dick ist, ist es so stark, dass man eine Katze damit tragen kann, ohne dass das Material reißt. Tatsächlich ist Graphen das stärkste bisher bekannte Material, etwa 200 mal stärker als Stahl.
Graphen wurde 2004 von Andre Geim und Konstantin Novoselov entdeckt, die dafür wenige Jahre später 2010 den Nobelpreis in Physik erhielten.
Was dies für meine heutige Arbeit bedeutsam macht:
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Ich habe begriffen, welche Kraft in Kreis- und Hexagonstrukturen liegt. Von Benzol kann ich lernen, wie Stabilität dadurch entstehen kann, dass Einzelne ihre Ressourcen für eine gemeinsame Bindungsstruktur miteinander teilen.
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Mein Verständnis von Organisationsbildung beruht auf der Verknüpfung von Kreisen, die bestimmte Muster und Verständnisse von Beziehung miteinander teilen. Von Graphen lässt sich lernen, was für enorme Stabilität und effektive Kommunikation entstehen, wenn die Elemente eines Systems gemeinsamen Bindungsprinzipien und Beziehungsmustern folgen.
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Darüber hinaus hat sich für mich die Überzeugung bestätigt, wie wichtig es ist, den intuitiven Geist in Verstehensprozesse zu integrieren. Rationale Analyse mag uns Klarheit über unser Wissen bringen. Tiefere Erkenntnisse entstehen jedoch oft erst, wenn wir über das konzeptuelle Verstehen hinausgehen und uns öffnen für intuitive Zugänge zu Komplexität, sei es im Spüren, im Traum oder beim Spielen.
Der intuitive Geist ist eine heilige Gabe
und der rationale Verstand sein treuer Diener.
Wir haben eine Gesellschaft geschaffen,
die den Diener verehrt und
die Gabe vergessen hat.
(Albert Einstein)