Molekulare Präzision: Wie Irving Langmuir und Katharine Burr Blodgett die Grenzflächenchemie revolutionierten

Im Jahr 1909 trat der Physiko-Chemiker Irving Langmuir in das neu gegründete Forschungslabor von General Electric in Schenectady im US-Bundesstaat New York ein. Nachdem er eine kurze Karriere als Hochschullehrer hinter sich gelassen hatte, wandte er sich dringenden industriellen Herausforderungen zu. Sein erster großer Auftrag galt dem vorzeitigen Verschleiß von Wolfram-Glühfäden in Glühlampen. Bei der Analyse der durch erhitztes Wolfram katalysierten chemischen Reaktionen entdeckte Langmuir, dass das Ersetzen des Vakuums im Inneren der Glühbirnen durch Stickstoff- und später Argon-Gas sowie das enge Wendeln des Wolframfadens die Verdampfung des Wolframs wirksam hemmte und die Lebensdauer der Lampe erheblich verlängerte.

Vom Glühfaden zur kovalenten Bindung

Langmuirs detaillierte Untersuchung atomarer Phänomene weitete sich bald von praktischen Glühlampen auf die grundlegende chemische Theorie aus. Im Jahr 1919 veröffentlichte er eine wegweisende Arbeit, in der er von dem Physiko-Chemiker Gilbert Newton Lewis vorgeschlagene Konzepte über gemeinsame Elektronenpaare weiterentwickelte. In diesem Werk führte Langmuir formal den Begriff der kovalenten Bindung zur Beschreibung chemischer Bindungen ein. Gleichzeitig leitete er grundlegende Studien zur Grenzflächenchemie ein und analysierte, wie sich moleküldicke Schichten aus Atomen oder Molekülen an verschiedenen flüssigen und festen Grenzflächen anlagern.

Eine wegweisende Partnerschaft bei GE

Im Jahr 1918 trat Katharine Burr Blodgett als Langmuirs Forschungsassistentin in den Standort Schenectady ein und wurde damit die erste Wissenschaftlerin, die das General Electric-Labor einstellte. Blodgett hatte zuvor ein Master-Studium an der University of Chicago abgeschlossen, wo sie die Adsorption von Aktivkohle in Gasmasken erforschte. Langmuir erkannte ihre außergewöhnlichen Fähigkeiten in Mathematik und Physik und ermutigte sie, ein weiteres Aufbaustudium zu absolvieren. Blodgett reiste nach England, um unter dem Experimentalphysiker Ernest Rutherford am Cavendish-Laboratorium der Cambridge University zu arbeiten, wo sie als erste Frau einen Doktortitel in Physik von Cambridge erwarb.

Untersuchung von Plasmen und Molekülschichten

Nach ihrer Promotion kehrte Blodgett zu General Electric zurück, um ihre Zusammenarbeit mit Langmuir fortzusetzen. Das Duo führte Experimente zu elektrischen Entladungen in Gasen durch, analysierte das Verhalten ionisierter Gaspartikel und legte damit wichtige Grundlagen für das Fachgebiet der Plasmaphysik. Im Jahr 1932 wurde Langmuir für seine Entdeckungen zu Oberflächenphänomenen und einmolekularen Filmen mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Gemeinsam verfeinerten die beiden Wissenschaftler Verfahren zur Herstellung geordneter mehrschichtiger Filme, indem sie einmolekulare Seifenschichten Präzisionsschicht für Präzisionsschicht von Wasseroberflächen auf feste Platten übertrugen.

Die Erfindung von entspiegeltem Glas

Im Jahr 1939 wandte Blodgett dieses Monoschicht-Abscheidungsverfahren an, um entspiegeltes Glas zu erfinden. Sie trug einen präzise 44 Moleküle dicken Film aus Bariumstearat-Seife auf ein Glassubstrat auf. Der Mechanismus beruhte auf Welleninterferenz: Lichtwellen, die von der Oberfläche des Bariumstearat-Films reflektiert wurden, waren phasenversetzt zu den Wellen, die vom darunter liegenden Glas reflektiert wurden. Da die Wellenberge der einen Reflexion mit den Wellentälern der anderen zusammenfielen, löschte sich das reflektierte Licht selbst aus, sodass das Licht ohne störende Oberflächenblendung hindurchtreten konnte.

Innovationen in Kriegszeiten und wissenschaftliches Erbe

Während des Zweiten Weltkriegs schlossen sich Langmuir und Blodgett erneut zusammen, um Herausforderungen der Landesverteidigung anzugehen. Sie entwickelten militärische Schutznebelwände zur Tarnung von Truppen und entwarfen praktische Verfahren zur Enteisung von Flugzeugflügeln während des Flugs. Blodgetts Präzisionsmethode zur Dünnschichtabscheidung legte den Grundstein für moderne optische Beschichtungen. Heute sind verfeinerte Hartbeschichtungsverfahren, die auf ihrem Prinzip der Lichtinterferenz basieren, Standard bei nahezu allen optischen Linsen, Kamerasystemen und Sehhilfen.

Titelbild: KI-generierte Illustration; kein Dokumentarfoto.

Quelle: Irving Langmuir and Katharine Burr Blodgett