Heute vor 40 Jahren veröffentlichten Gerd Binnig, Carl Quate und Christoph Gerber die Erfindung des Rasterkraftmikroskops. Auch mit 83 Jahren gibt Christoph Gerber seine Begeisterung für dieses besondere Mikroskop weiter, das die Erforschung der Nanowelt überhaupt erst möglich gemacht hat.

Fast jeden Dienstag ist Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Gerber am Departement Physik der Universität Basel anzutreffen. Mit 83 Jahren ist er immer noch fasziniert von der Forschung und Anwendung rund um Cantilever und Rasterkraftmikroskope. Diese Begeisterung gibt der preisgekrönte Physiker und Ehrenmitglied des Swiss Nanoscience Institute (SNI) bereits seit 40 Jahren an Kolleginnen und Kollegen weiter und trägt nach wie vor dazu bei, die Faszination der Nanowissenschaften zu teilen. Als Kind hätte er sich allerdings nicht träumen lassen, dass er einst wie andere grosse Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rampenlicht stehen würde.

Von Büchern fasziniert
Christoph Gerber wurde im Jahr 1942 in Basel geboren. Bereits in den Kinderjahren hatte er eine Affinität zur Universität Basel, denn die Wiese am Petersplatz vor dem Kollegiengebäude war sein Spielplatz. Schon früh entdeckte er zudem seine Leidenschaft für Bücher und verbrachte so manche Nacht mit Taschenlampe und Buch unter der Bettdecke. 

Dabei waren es neben der üblichen Jugendliteratur vor allem Biografien von Naturwissenschaftlern, die ihn faszinierten. «Charaktere wie Michael Faraday, der als Buchbinder die Zusammenfassungen grosser Wissenschaftler nicht nur gebunden, sondern auch gelesen und dann experimentell ausprobiert hat, haben mir enorm imponiert», erinnert er sich.

Für Christoph Gerber war es zunächst jedoch kein Thema selbst Naturwissenschaftler zu werden. Er entschied sich für eine Ausbildung zum Feinmechaniker. Nach dem Abschluss bewarb er sich erfolgreich bei der Schweizer Firma Contraves, die auch für Instrumente und Messsysteme in der Feinmechanik, Optik und Elektronik bekannt war. Bald nach Beginn seiner Anstellung wurde er nach Schweden geschickt, um dort eine Position als Gruppenleiter zu übernehmen.

Im Team zum Erfolg
1966 zog es ihn zurück in die Schweiz zum IBM Forschungszentrum nach Rüschlikon. Für Christoph Gerber begann eine spannende und intensive Zeit. Er arbeitete eng mit dem späteren Nobelpreisträger Dr. Heinrich Rohrer zusammen – zunächst an verschiedenen Themen der Tieftemperaturphysik und an strukturellen Phasenübergängen. Als dann der junge Physiker Dr. Gerd Binnig zu dem Team stiess, war für Christoph Gerber bald nur noch die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (STM für Scanning Tunneling Microscope) ein Thema. Tage- und nächtelang tüftelte er an den technischen Schwierigkeiten, die mit diesem neuartigen Mikroskop verbunden waren. 

1981 kam der Durchbruch. Das Wissenschaftlerteam von Rohrer, Binnig, Gerber und dem später ins Team gekommenen Forschungsassistenten Edmund Weibel konnte zeigen, dass zwischen der nur nanometergrossen Spitze des Mikroskops und der zu messenden Probe ein Tunnelstrom fliesst, der sich exponentiell mit zunehmendem Abstand verringert. Wenn die Mikroskopspitze die Oberfläche eines leitenden Materials dann also abtastet, verändert sich bei Erhebungen oder Vertiefungen dieser Tunnelstrom. Aus diesen Veränderungen lässt sich dann ein atomares Bild der Oberfläche errechnen. 

Die wissenschaftliche Welt reagierte sehr unterschiedlich auf diese Neuigkeiten. «Während sich bei IBM die Türen für weitere Forschungsmittel öffneten, lehnte die renommierte Wissenschaftszeitschrift Physical Review Letters die Veröffentlichung der Publikation ab», erzählt Gerber. Die Begründung: Da der Tunneleffekt schon seit geraumer Zeit bekannt war, sei dieses neuartige Mikroskop zwar ein technisches Juwel, bringe wissenschaftlich jedoch keine Neuerung.

Viel zitierte Veröffentlichung
Die Wissenschaftler liessen sich jedoch nicht entmutigen und trieben ihre Forschung weiter voran. 1986 bekamen Binnig und Rohrer für die dann ausgereifte Entwicklung des Rastertunnelmikroskops den Nobelpreis. Im gleichen Jahr veröffentlichte Christoph Gerber zusammen mit den Professoren Gerd Binnig und Calvin Quate (Stanford University, CA, USA) eine Publikation über die Erfindung des Rasterkraftmikroskops (AFM für Atomic Force Microscope). «Uns hatte gestört, dass man mit dem STM nur leitende Oberflächenstrukturen analysieren konnte,» berichtet Gerber. «Daher verfolgten wir die Idee, statt des Tunnelstroms die Vielzahl der Kräfte zu messen, die beim Abtasten einer Probe auf die winzige Mikroskopspitze wirken.»

Dieser Ansatz, der nun 40 Jahre zurück liegt, hat sich als wahre Erfolgsgeschichte herausgestellt. Die 1986 in Physical Review Letters (PRL) veröffentlichte Publikation ist bis heute einer der am häufigsten zitierten Veröffentlichung in PRL. 

Rückblickend fasst Christoph Gerber zusammen: «In dem damals noch jungen Gebiet der Nanotechnologie hat die Erfindung der Rasterkraftmikroskopie zu einem Paradigmenwechsel beim Verständnis und der Wahrnehmung von Materie auf ihrer grundlegendsten Ebene geführt. Das AFM kann Materialien mit beispielloser Auflösung abbilden, untersuchen und manipulieren und lässt sich vielseitig mit anderen Technologien kombinieren. Das hat es zu einem der leistungsfähigsten und vielseitigsten Werkzeuge in den Nanowissenschaften und der Nanotechnologie gemacht und neue Wege in der Physik, Chemie, Biologie und Medizin eröffnet. Nach wie vor inspirieren die Möglichkeiten des AFM Forschende auf der ganzen Welt.»

Federbalken als neues Forschungsobjekt
Nach der Veröffentlichung in PRL folgten für Christoph Gerber aufregende Jahre. Er verbrachte insgesamt vier Jahre am IBM Forschungszentrum und an der Stanford University in Kalifornien sowie im IBM Lab an der Ludwig-Maximilians-Universität in München, instruierte zahlreiche Kolleginnen und Kollegen in der Anwendung der neuartigen Mikroskope und teilte mit ihnen seine Tricks und Kniffe, die er sich während der gesamten Entwicklungszeit erworben hatte. Er hielt weltweit zahlreiche Vorträge an internationalen Konferenzen und Universitäten weltweit und betreute als Research Staff Member bei IBM zudem zahlreiche Doktorierende und Postdocs, die dann in ihren unterschiedlichen Karrieren die Rasterkraftmikroskopie ebenfalls weiter entwickelten.

Seit der Entwicklung des Rasterkraftmikroskops nahm die Nanomechanik einen herausragenden Platz in Gerbers Forschung ein. Zusammen mit seinem Team entwickelte er Sensoren, die auf den Federbalken des Rasterkraftmikroskops basieren. Diese sogenannten Cantilever-Array-Sensoren zeigen hochsensible biologische Wechselwirkungen an. Die Federbalken werden dabei zunächst mit bestimmten Molekülen funktionalisiert. Wenn dann Moleküle aus der Testlösung an diese binden, kommt es zu einer nanoskalige Auslenkungen, die erfasst werden kann. «Die Sensoren werden für schnelle, kostengünstige Krankheitsdiagnostik als Krebsmarker oder in der Früherkennung von Sepsis aus Patientenblut ohne Kultivierung verwendet. Sie beeinflussen die medizinische Diagnostik, indem sie die zeitaufwändigen aktuellen Goldstandards übertreffen», berichtet Gerber.

Wechsel nach Basel
Ende der 1990er Jahre begann für Christoph Gerber eine neue Ära. Er hatte schon kurz nach Entwicklung des Rasterkraftmikroskops Kontakt mit Prof. Dr. Hans-Joachim Güntherodt von der Universität Basel, der die neuen Mikroskope zur atomaren Analyse von metallischen Gläsern nutzen wollte. 

Güntherodt war schon früh vom Nutzen der neuen Technologie überzeugt und sehr an einer Zusammenarbeit interessiert. Er entwickelte zusammen mit Christoph Gerber die Idee eines Nanozentrums in Basel. Die Ausschreibung der Nationalen Forschungsschwerpunkte (NFS) durch den Schweizerischen Nationalfond kam da gerade recht. Die Kollegen an der Universität Basel waren schnell zu überzeugen, dass den Nanowissenschaften die Zukunft gehören werde. 2001 wurde dann der NFS Nanowissenschaften mit der Universität Basel als leitende Institution gegründet. Christoph Gerber liess sich daraufhin bei IBM pensionieren und steckte seine ganze Energie und Motivation in die neue Aufgabe als Projektleiter für Federbalkenprojekte und als Direktor für wissenschaftliche Kommunikation des NFS. 

Im Jahr 2006 ging aus dem NFS Nanowissenschaften dann auch das von der Universität Basel und dem Kanton Aargau getragene Swiss Nanoscience Institute (SNI) hervor. In diesem interdisziplinären Netzwerk, das Forschung und Ausbildung in den Nanowissenschaften in der Nordwestschweiz vorantreibt, engagierte sich Christoph Gerber im Exekutivkomitee und in verschiedenen Forschungsprojekten. Im Jahr 2017 wurde er mit der Ehrenmitgliedschaft des SNI ausgezeichnet.

Zusammenarbeit, Leidenschaft und Ausdauer als Erfolgsfaktoren
Christoph Gerber selbst ist durch seine Pionierarbeiten in den Nanowissenschaften ein hochgeschätzter, international anerkannter Wissenschaftler geworden. Er wurde mit verschiedenen akademischen Titeln sowie Mitgliedschaften geehrt und mit zahlreichen Ehrungen und Preise ausgezeichnet. So erhielt er die Ehrendoktorwürde der Universitäten Basel und Twente und Ehrenprofessuren in St. Andrews und Peking. Im Februar 2012 bekam er den «Life Time Achievement Award» des Wissenschaftsjournals «Nature» verliehen und 2016 zusammen mit Gerd Binnig und Carl Quate den Kavli-Preis in Nanowissenschaften. 2023 wurde er mit dem Albert Einstein World Award of Science des World Cultural Council ausgezeichnet und 2024 als Citation Laureate Physics durch Clarivate ausgewählt – um nur ein paar der zahlreichen Auszeichnungen zu nennen.

Christoph Gerber betont, dass Wissenschaft eine gemeinschaftliche Aufgabe ist: „Sie ist das Ergebnis von mehr als 50 Jahren Leidenschaft, Engagement und Ausdauer sowie ungebrochener Neugier.“ Auf die Frage nach seinem Karrierecredo antwortet er: „Es ist auch sehr wichtig, Dogmen zu hinterfragen und in Frage zu stellen, seinen eigenen Weg zu gehen, und hart daran zu arbeiten, seine Vision zu verwirklichen. Eine entscheidende Rolle auf meinem Weg haben auch die Teams aus Mentor:innen, Kolleg:innen und Unterstützenden gespielt.“

Christoph Gerber hat auch mit 83 Jahren genug Energie und Motivation, um wissenschaftlich aktiv zu bleiben. Nicht nur mit seiner allwöchentlichen Stippvisite ans Departement Physik, um mit den Forschenden in Kontakt zu bleiben, die seine Arbeiten erfolgreich fortsetzen, auch im Privatleben ist er noch immer ambitioniert. So spielt er regelmässig Golf und eifert John Bardeen nach, dem sein «Hole in One» wohl fast wichtiger war als seine beiden Nobelpreise in Physik. Und im Winter stehen auch die Ski noch parat – obwohl er bereits seit ein paar Jahren davon redet, dass es nun der letzte Winter mit Ski fahren war.