Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher lassen molekulare Fußbälle explodieren - Meilenstein bei Untersuchung komplexer Moleküleül

27.06.2014

Mit intensiven Röntgenlaserblitzen hat ein internationales Forscherteam die Explosion winziger Fußballmoleküle analysiert. Diese sogenannten Buckminsterfullerene, auch kurz als Buckyballs bezeichnet, bestehen aus 60 in Fußballform angeordneten Kohlenstoffatomen.

Das Experiment, in dem die Buckyballs in weniger als 100 Femtosekunden (billiardstel Sekunden) auseinanderbrachen, belegt, dass die Explosion der Fullerene in einer vorhersagbaren Art und Weise abläuft, wie das Team um Prof. Nora Berrah von der Universität von Connecticut und DESY-Forscher Prof. Robin Santra vom Center for Free-Electron Laser Science CFEL im Fachjournal „Nature Communications“ beschreiben.


Künstlerische Darstellung eines Buckyballs im Röntgenlaserblitz.

Illustration: Greg Stewart/SLAC

Das ist ein wichtiger Meilenstein für die Untersuchung individueller, komplexer Biomoleküle mit sogenannten Freie-Elektronen-Röntgenlasern. Biomoleküle brechen bei solchen Untersuchungen ebenfalls auseinander.

„Uns hat sehr beeindruckt, dass sich ein derart kurzer und dynamischer Prozess so überraschend detailliert mit Hilfe klassischer Methoden beschreiben lässt, wenn man einen Schuss Quantenmechanik hinzufügt“, sagt Santra, der auch Professor an der Universität Hamburg und Mitglied des Hamburger Centre for Ultrafast Imaging CUI ist. „Wenn man die Struktur individueller Biomoleküle untersucht, ist es sehr wichtig, diesen Prozess simulieren zu können, damit man eine Vorstellung davon bekommt, was im Experiment vor sich geht“, betont Berrah.

Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) sind neuartige Anlagen, die ultrakurze und superhelle Röntgenblitze mit Hilfe energiereicher Elektronen aus einem starken Teilchenbeschleuniger erzeugen. Forscher können diese Blitze nutzen, um die Struktur komplexer Verbindungen in der Welt der Moleküle und Atome zu erkunden. Die Struktur beispielsweise eines Biomoleküls verrät etwas über seine Funktion und ermöglicht unter anderem die Entwicklung neuer, maßgeschneiderter Medikamente.

Normalerweise nutzen Forscher für solche Untersuchungen mit XFELs winzige Nanokristalle aus Proteinen. Das hat verschiedene Vorteile, unter anderem produzieren Kristalle im Röntgenlicht ein stärkeres Signal als individuelle Moleküle. Zahlreiche Biomoleküle lassen sich jedoch nur sehr widerwillig in Kristallform zwingen und kommen in der Natur überhaupt nicht als Kristall vor. Daher möchten Forscher die Möglichkeit haben, auch individuelle, nicht kristallisierte Biomoleküle zu untersuchen.

Die Struktur eines Moleküls lässt sich aus der charakteristischen Art und Weise berechnen, wie seine Elektronen das Röntgenlicht streuen. Allerdings absorbieren die Elektronen durch den photoelektrischen Effekt eine große Menge an Röntgenenergie und ändern dadurch umgehend ihre Konfiguration. Das führt wiederum zu einer veränderten Streuung des verbleibenden Röntgenlichts. Dieses Problem lässt sich nicht durch kürzere Belichtungszeiten umgehen, da bei jedem Röntgenblitz die Absorptionsrate stets höher ist als die Streurate.

Um diesen Prozess zu beobachten, nutzten die Forscher den derzeit weltweit stärksten Röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) am US-Forschungszentrum SLAC und beschossen mit ihm die Buckyballs als gut bekanntes, moderat komplexes Testsystem. Die C60-Moleküle haben die regelmäßige Form eines Fußballs, sind jedoch weniger als ein Nanometer (millionstel Millimeter) groß. „Die hellen Röntgenblitze schlagen eine große Zahl von Elektronen aus den Molekülen, so dass seine Atome stärker und stärker positiv geladen werden und die elektrische Abstoßung das Molekül schließlich explodieren lässt“, beschreibt Berrah.

Die Wissenschaftler zeichneten die Explosionstrümmer auf und verglichen dies mit einer von DESY-Wissenschaftler Dr. Zoltan Jurek entwickelten Simulation. „Solche Simulationswerkzeuge wurden ursprünglich für Dinge wie Flüssigkeiten oder Polymere entwickelt, die sich im oder nahe am Gleichgewicht befinden, nicht für die hohen Energien und starken Kräfte, die wir hier haben“, erläutert Jurek. „Man hat vor etwa zehn Jahren damit begonnen, XFEL-induzierte Prozesse zu simulieren, aber niemand wusste, ob das wirklich funktionieren würde.“ Die Experimente an der LCLS liefern den ersten systematischen Test dieser Simulationen.

Um die Prozesse innerhalb der Atome mit einzubeziehen, ergänzten die Wissenschaftler ihre Simulation um etwas Quantenmechanik. Die Ergebnisse geben die Beobachtungen sehr gut wieder. „Wir waren überrascht, dass unsere Simulation sogar quantitativ korrekte Vorhersagen liefert“, sagt Santra. Die Simulation eröffnet damit einen Weg, die Veränderung der Elektronen-Konfiguration bei der Untersuchung komplexer Biomoleküle zu berücksichtigen. „Das hat sehr weitreichende Implikationen für die Untersuchung von Biomolekülen, da man in Einzelschuss-Experimenten immer die Elektronen-Konfiguration verändert. Unsere Technik kann dabei helfen, die Streubilder zu interpretieren und auf diese Weise die Qualität von Strukturuntersuchungen zu erhöhen.“

Zu dem Team gehören außer Forschern von DESY, der Universität von Connecticut und SLAC Wissenschaftler der Western Michigan University, der Universität Uppsala, der Universität Oxford, des Instituto di Metodologie Inorganiche e dei Plasmi in Rom, des Imperial College London, der Universität Turku, der University of Texas, des Synchrotrons SOLEIL in Frankreich und der Tohoku-Universität in Japan.

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa. Das Center for Free-Electron Laser Science CFEL ist eine Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

Weitere Informationen:

http://www.desy.de/infos__services/presse/pressemeldungen/2014/pm_270614/index_g...

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Maschinelles Lernen im Quantenlabor
19.01.2018 | Universität Innsbruck

nachricht Seltsames Verhalten eines Sterns offenbart Schwarzes Loch, das sich in riesigem Sternhaufen verbirgt
17.01.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie