Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Molekülballett im Röntgenlaser

28.02.2014

Ein internationales Forscherteam hat mit dem weltstärksten Röntgenlaser Schnappschüsse freier Moleküle gewonnen. Die Wissenschaftler um Prof. Jochen Küpper vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) haben dazu eine Art Molekülballett im Röntgenstrahl choreographiert. Mit ihrer Arbeit nehmen die Forscher wichtige Hürden auf dem Weg zu Röntgenbildern individueller Moleküle, wie sie im Fachblatt "Physical Review Letters" erläutern. Das CFEL ist eine gemeinsame Einrichtung von DESY, der Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

"Uns sind die ersten Röntgenlaseraufnahmen eines Ensembles isolierter Moleküle gelungen", sagt DESY-Forscher Küpper, der auch Professor an der Universität Hamburg sowie Mitglied des Exzellenzclusters Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI) ist.


Zufällig orientierte Moleküle (grüner Strahl) werden von einem optischen Laser (rot) alle in dieselbe Pose gebracht und dann mit dem Röntgenpuls (blau) abgelichtet.

Bild: Stephan Stern/CFEL


Simulation der erwarteten Unterschiede in den Streubildern zufällig und gleichmäßig ausgerichteter Moleküle. Die Messung hat diese Erwartung gut reproduziert.

Bild: Stephan Stern/CFEL

"Die Moleküle haben dafür alle synchron posiert." Dieser Ansatz ebne den Weg zur Untersuchung der ultraschnellen Dynamik isolierter Moleküle. Zwar lassen sich Moleküle auch mit anderen Techniken ablichten, keine kommt aber mit so kurzen Belichtungszeiten aus wie der Röntgenlaser. Um die atomare Struktur von Molekülen zu bestimmen, werden diese gewöhnlich kristallisiert und dann mit hellem Röntgenlicht durchleuchtet. Allerdings lassen sich manche Moleküle nur sehr widerwillig in Kristallform zwingen, insbesondere bei vielen Biomolekülen ist dies ein Problem. Zudem können Moleküle in einem Kristall andere Eigenschaften haben als in freier Form. Und Moleküldynamik lässt sich im Kristallzustand nur sehr eingeschränkt erkunden. Diese Informationen sind jedoch in Chemie, Physik, Materialforschung und den Lebenswissenschaften heiß begehrt. Forscher arbeiten daher an Methoden, um Schnappschüsse einzelner, ungebundener Moleküle machen zu können.

"Die von uns untersuchten Moleküle gehören mit zu den kleinsten Strukturen in Chemie und Biologie und bestehen nur aus einer Handvoll Atome", betont Ko-Autor Dr. Stephan Stern vom CFEL. "Um sie zu beobachten, braucht man die stärkste Röntgenquelle der Erde mit der kürzesten Belichtungszeit - eine zehnbillionstel Sekunde."

DLaser (FEL) erzeugt kurzwelliges Röntgenlicht, indem er schnelle Elektronen aus einem Teilchenbeschleuniger mit starken Magneten auf einen eng gesteckten Slalomkurs schickt.

In jeder Kurve geben die schnellen Teilchen Lichtblitze ab, die sich zu einem intensiven Laserpuls verstärken. Diese Röntgenpulse haben so eine kleine Wellenlänge, dass mit ihnen selbst atomare Details sichtbar werden. Und sie sind so kurz und hell, dass sich die ultraschnelle Bewegung von Molekülen einfrieren lässt. Allerdings lässt sich gegenwärtig selbst mit diesem hellen Licht noch kein brauchbares Bild von einem einzelnen Molekül gewinnen. Daher untersuchen Forscher die Moleküle mit einem Trick: Sie messen, wie stark das Röntgenlicht an den Molekülen gestreut wird. Aus diesem Streubild lässt sich die Molekülstruktur berechnen. Je mehr Moleküle zu dem Streubild beitragen, etwa in einem Kristall, desto deutlicher wird es.

Statt eines Kristalls lichteten die Forscher um Küpper ein Ensemble von jeweils rund 100 Einzelmolekülen auf demselben Bild ab. Diese Moleküle müssen allerdings alle gleich orientiert sein, damit sich ihre Streubilder überlagern und verstärken. Für seine Versuche wählte das Team ein einfaches Molekül, das aus einem sogenannten Benzolring besteht, an dem oben und unten jeweils ein Iod-Atom hängt, und der zudem einen kleinen Nitril-Arm aus Kohlenstoff und Stickstoff besitzt.

Diese chemisch als Diiodobenzonitril bezeichnete Verbindung haben die Forscher zunächst mit einem inhomogenen elektrischen Feld sortiert, so dass nur Moleküle in wenigen Quantenzuständen in den Röntgenstrahl wandern konnten. Mit einer speziellen Laseranordnung brachten sie anschließend die Teilchen dazu, wie die Mitglieder einer Ballettgruppe für das Foto alle dieselbe Haltung einzunehmen, so dass alle Benzolringe die beiden Iod-Atome nach oben und unten ausrichteten.

"Wir haben die Moleküle sortiert, auf die Bühne geführt und dazu gebracht, dass sie sich für das Foto synchron in Pose werfen", schildert Stern. "Dort haben wir sie mit einem ultrakurzen Blitz von unerreichter Helligkeit fotografiert. Die Belichtungszeit war so kurz, dass die superschnellen Bewegungen der Moleküle eingefroren wurden und wir ein scharfes Bild der winzigen Strukturen aufnehmen konnten." Auf diese Weise bestimmten die Forscher beispielsweise den Abstand der beiden Iodatome am Benzolring auf 800 Pikometer (800 milliardstel Millimeter), was gut mit dem aus der Theorie bekannten tatsächlichen Wert von 700 Pikometern übereinstimmt.

Die Versuche weisen damit den Weg zur Untersuchung der ultraschnellen Moleküldynamik, insbesondere am europäischen Röntgenlaser European XFEL, der zurzeit vom DESY-Gelände in Hamburg-Bahrenfeld bis in die benachbarte Stadt Schenefeld in Schleswig-Holstein gebaut wird, und der eine rund 200-fach höhere Pulsrate besitzen wird. "Künftig werden wir die Moleküle dazu bringen können, festgelegte Bewegungsabläufe auszuführen, beispielsweise alle mit den Armen zu winken", sagt Küpper. "Diese Bewegung lässt sich dann filmen, indem wir das Experiment oft wiederholen, jeweils Schnappschüsse zu leicht unterschiedlichen Zeiten machen und diese zu einem Film zusammensetzen. Ähnlich wie eine Superzeitlupe im Sport oder in Dokumentarfilmen werden diese Filme die genauen Bewegungsabläufe der Moleküle während chemischer Reaktionen in bislang unerreichter Detailgenauigkeit zeigen."

An der Studie waren Forscher aus Deutschland, Dänemark, den Niederlanden, Schweden und den USA beteiligt.

Die Linac Coherent Light Source, eine vom US-Energieministerium finanzierte Forschungseinrichtung, ist der weltweit erste Freie-Elektronen-Laser für harte Röntgenstrahlung. Er erlaubt, atomare Details auf ultrakurzen Zeitskalen zu beobachten und ermöglicht damit grundlegende Erkenntnisse in Physik, Chemie, Strukturbiologie, Energieforschung und vielen anderen Feldern.

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.


Originalveröffentlichung
“X-ray diffraction from isolated and strongly aligned gas-phase molecules with a free-electron laser”; J. Küpper, S. Stern, H. N. Chapman, et al.; Physical Review Letters; DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.083002

Weitere Informationen:

Die gesamte Meldung mit Bildern finden Sie unter:
http://www.desy.de/infos__services/presse/pressemeldungen/2014/pm_280214/index_g...

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie