Molekülschnappschuss durch Explosion

Ein Fotomotiv explodieren lassen, um es zu fotografieren? Ein internationales Forscherteam am European XFEL, dem größten Röntgenlaser der Welt, wandte diese „extreme“ Methode an, um Bilder von komplexen Molekülen zu machen. Die Wissenschaftler nutzten die von der Anlage erzeugten ultrahellen Röntgenblitze, um Schnappschüsse von Iodpyridinmolekülen in der Gasphase mit atomarer Auflösung zu machen. Der Röntgenlaser brachte die Moleküle zum Explodieren und das Bild wurde aus den Bruchstücken rekonstruiert. „Dank der extrem intensiven und besonders kurzen Röntgenpulse des European XFEL konnten wir ein für diese Methode und die Größe des Moleküls bisher unerreicht klares Bild erzeugen“, berichtet Rebecca Boll vom European XFEL, Projektleiterin des Experiments und einer der beiden Erstautoren der Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Naturphysik in dem das Team seine Ergebnisse beschreibt. Solche klaren Bilder komplexer Moleküle waren mit dieser experimentellen Technik bisher nicht möglich.

Die Bilder sind ein wichtiger Schritt zur Aufzeichnung molekularer Filme, die Forscher künftig nutzen wollen, um Details von biochemischen und chemischen Reaktionen oder physikalischen Veränderungen mit hoher Auflösung zu beobachten. Solche Filme sollen Entwicklungen auf verschiedenen Forschungsgebieten anregen. „Die von uns verwendete Methode ist besonders vielversprechend, um photochemische Prozesse zu untersuchen“, erklärt Till Jahnke vom European XFEL und der Goethe-Universität Frankfurt, der zum Kernteam der Studie gehört. Solche Prozesse, bei denen durch Licht chemische Reaktionen ausgelöst werden, sind sowohl im Labor als auch in der Natur von großer Bedeutung, beispielsweise bei der Photosynthese und bei Sehvorgängen im Auge. „Die Entwicklung molekularer Filme ist Grundlagenforschung“, erklärt Jahnke und hofft, „das daraus gewonnene Wissen könnte uns helfen, solche Prozesse in Zukunft besser zu verstehen und neue Ideen für die Medizin, nachhaltige Energiegewinnung und Materialforschung zu entwickeln.“

Bei dem als Coulomb-Explosion-Imaging bekannten Verfahren schlägt ein hochintensiver und ultrakurzer Röntgenlaserpuls eine große Anzahl von Elektronen aus dem Molekül heraus. Aufgrund der starken elektrostatischen Abstoßung zwischen den verbleibenden, positiv geladenen Atomen explodiert das Molekül innerhalb weniger Femtosekunden – einer Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Die einzelnen ionisierten Bruchstücke fliegen dann auseinander und werden von einem Detektor registriert.

„Bisher war die Coulomb-Explosions-Bildgebung auf kleine Moleküle beschränkt, die aus nicht mehr als fünf Atomen bestehen“, erklärt Julia Schäfer vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY, die andere Erstautorin der Studie. „Mit unserer Arbeit haben wir diese Grenze für diese Methode durchbrochen.“ Jodpyridin (C5H4IN) besteht aus elf Atomen.

Filmstudio für die explosiven Molekülbilder ist das Instrument SQS (Small Quantum Systems) am European XFEL. Ein speziell für solche Untersuchungen entwickeltes COLTRIMS-Reaktionsmikroskop (REMI) leitet die geladenen Bruchstücke durch elektrische Felder auf einen Detektor. Ort und Zeitpunkt des Aufpralls der Bruchstücke werden bestimmt und daraus deren Impuls – das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit – rekonstruiert, mit dem die Ionen auf den Detektor treffen. „Mit diesen Informationen lassen sich Details über das Molekül gewinnen, und wir können mit Hilfe von Modellen den Ablauf von Reaktionen und Prozessen rekonstruieren“, sagt DESY-Forscher Robin Santra, der den theoretischen Teil der Arbeit leitete.

Die Coulomb-Explosionsbildgebung eignet sich besonders zur Verfolgung sehr leichter Atome wie Wasserstoff in chemischen Reaktionen. Die Technik ermöglicht detaillierte Untersuchungen einzelner Moleküle in der Gasphase und ist daher eine komplementäre Methode zur Herstellung von Molekularfilmen zu den Methoden, die an anderen European-XFEL-Instrumenten für Flüssigkeiten und Feststoffe entwickelt werden.

„Wir wollen grundlegende photochemische Prozesse im Detail verstehen. In der Gasphase gibt es keine Störungen durch andere Moleküle oder die Umgebung. Daher können wir mit unserer Technik einzelne, isolierte Moleküle untersuchen“, sagt Jahnke. Boll fügt hinzu, dass sie „als nächsten Schritt daran arbeiten, die Moleküldynamik zu untersuchen, damit einzelne Bilder zu einem echten Molekülfilm kombiniert werden können, und bereits erste dieser Experimente durchgeführt haben“.