Chemie in Aktion beobachten: Professor R. J. Dwayne Miller erhält ACS-Preis

"Für die Entwicklung der Femtosekunden-Elektronenbeugung und kohärenter spektroskopischer Methoden zur direkten Beobachtung und Kontrolle der chemischen Dynamik auf atomarer Ebene“ wird Prof. R. J. Dwayne Miller mit dem E. Bright Wilson Award für Spektroskopie des Jahres 2015 der American Chemical Society (ACS) ausgezeichnet. Millers Arbeit schuf ein gänzlich neues Feld, das allen Forschern Zugang zur direkten Beobachtung atomarer Bewegungen während der entscheidenden Momente chemischer Abläufe ermöglicht.

Ziel des jährlich vergebenen E. Bright Wilson Awards für Spektroskopie ist es, herausragende Leistungen in der Grundlagenforschung oder der angewandte Spektroskopie in der Chemie zu würdigen.

„Angesichts der Geschichte des E. Bright Wilson Preises und der Leistungen derer, die vor mir ausgezeichnet wurden, erfüllt es mich mit Demut und Freude, diese Auszeichnung zu bekommen", sagt Miller, der zudem Professor für Chemie und Physik an der Universität von Toronto ist. „Diese Auszeichnung hilft sehr, das Augenmerk auf die Bedeutung der Grundlagenforschung zu richten. Die honorierte Arbeit führte zu einer Reihe von Innovationen, die sowohl unser Denken über die Chemie verändern könnte als auch die Art und Weise, wie wir chemische Prinzipien anwenden."

Aus Millers erstem atomaren Film des Schmelzens - also des Moments, in dem ein Festkörper kollabiert und in den flüssigen Zustand übergeht – resultierten neue Konzepte in der Laserchirurgie, die so präzise und schonend sind, dass sich kaum noch Narben bilden. Derzeit arbeitet sein Team mit über 50 Chirurgen am Universitätsklinikum Eppendorf in Hamburg und in Toronto daran, dieses neue Konzept in die Praxis umzusetzen. Damit könnte das alte Problem des Narbengewebes gelöst werden, das die vollständige Wiederherstellung von Funktion (und Ästhetik) bislang behindert. Miller: „Es ist wichtig, solche Verbindungen herzustellen, um der Öffentlichkeit zu zeigen, wie neue Erkenntnisse uns allen zu Gute kommen können. Mir geht es sehr darum, Wissenschaft einem allgemeinen Publikum zugänglich zu machen. Deshalb habe ich auch Science Rendezvous (www.sciencerendezvous.ca) gegründet. Die Plattform ist eine fantastische Chance zu zeigen, wie Wissenschaft funktioniert und wovon Wissenschaftler träumen, um die Lebensbedingungen der Menschen zu verbessern – und so den Samen für die nächste Generation von Wissenschaftlern zu säen. Der E. Bright Wilson Award hilft, die Bedeutung dieser Mission zu unterstreichen."

Konkret wird der Preis für die Verwirklichung eines wissenschaftlichen Traum-Experiments vergeben: einen molekularen Film zu drehen, das heißt, direkt zu beobachten, welche atomaren Bewegungen in den Momenten stattfinden, die für strukturelle Veränderungen entscheidend sind. Das bedeutet, direkt zu beobachten, was der eigentliche Wesenskern der Chemie und der treibenden Kraft in der Biologie ist. Millers Pionierarbeit in der Entwicklung von Femtosekunden-Elektronenquellen und kohärenten spektroskopischen Methoden hat diesen Traum wahr gemacht. Seine ersten Beobachtungen einfacher Phasenumwandlungen auf atomarer Ebene und auf der Zeitskala von 100 Femtosekunden im Jahre 2003 waren noch sehr körnig, ganz wie die ersten Kinofilme (Science cover story 2003).

Ungefähr eine Dekade später führten Millers "ultrahelle" Table-top-Elektronenquellen zu neuen Aufnahmen, die die atomaren Bewegungen in aller Deutlichkeit zeigen. Noch erstaunlicher war die Erkenntnis, die sich aus den Aufnahmen ergab: Miller und Kollegen fanden heraus, dass sich die strukturelle Umwandlung auf nur wenige Schlüsselbewegungen reduziert, einerlei wie komplex die Moleküle sind. Für ein Problem mit über 280 Atomen und deren zugehörigen Bewegungen konnten Miller und seine Kollegen alle relevanten atomaren Bewegungen auf gerade einmal drei Schlüsselmoden abbilden (Nature 2013). Hier zeigt sich ganz direkt die „Magie der Chemie": Im entscheidenden Moment einer chemischen Reaktion, beim Sprung von einer Struktur zur anderen, reduzieren sich die Bewegungen auf diejenigen mit dem größten Effekt für die Stabilisierung der neuen Struktur. Es ist die Reduktion der Dimensionalität oder Komplexität an diesem kritischen Punkt, dem „point of no return", die dazu führt, dass chemische Konzepte übertragbar sind.

Millers Arbeit zur Entschlüsselung von Strukturdynamik auf atomarer Ebene, also die Herstellung molekularer Filme, hat ein neues Feld geschaffen, das Forschern auf der ganzen Welt die Gelegenheit eröffnet, die eigene Beobachtung von „Chemie in Aktion“ anzustreben.

Der E. Bright Wilson Award in Spektroskopie wird in einer Preiszeremonie, auf der Miller seine Preisrede hält, während des 249. ACS National Meetings in Denver, am Dienstag, dem 24. März 2015, vergeben werden. Die Auszeichnung besteht aus einem Preisgeld in Höhe von $ 5.000 und einem Zertifikat.