Im Laserstrahl

Wenn Röntgenblitze Moleküle in Stücke reißen

Von Manfred Lindinger
08.04.2022
, 12:41
Zerlegtes Iodpyridin-Molekül: Kohlenstoff rot, Stickstoff grün, Iod grau, Wasserstoff violett. Recht ist das Modell der aromatischen Verbindung zu sehen.
Mit einer besonderen Kamera haben Forscher erstmals einen Schnappschuss eines größeren Moleküls im Flug geschossen.
ANZEIGE

Wollen Forscher mehr über die genaue Struktur einzelner Moleküle in Erfahrung bringen, dann helfen ihnen häufig moderne Rastersonden-Mikroskope. Bei diesen Instrumenten tastet eine feine Spitze die Oberfläche einer Probe ab und liefert ein Bild ihrer dreidimensionalen Geometrie. Dabei bleibt das gescannte Molekül intakt. Es muss allerdings stark gekühlt und auf einer Unterlage fixiert werden, damit jegliche Bewegung eingefroren ist. Wer Moleküle in der Gasphase ablichten will, hat es da schwerer, denn viel Zeit bleibt nicht, eine Momentaufnahme von den flüchtigen Verbindungen zu erhaschen. Hier hilft meist nur ein rabiateres Vorgehen weiter: Mit einem intensiven kurzen Laserblitz wird das Molekül während des Fluges in Sekundenbruchteilen in seine Einzelteile zerlegt. Aus den Fragmenten rekonstruieren die Forscher dann die ursprüngliche molekulare Struktur.

Dadurch wird ein Molekül zwar unwiederbringlich zerstört. Man erhält aber dafür zusätzliche Informationen, etwa über seine Dynamik und die Verteilung der Ladung. Das Verfahren funktionierte bislang nur bei kleinen Molekülen. Je größer die Verbindungen werden, umso schwerer fällt die Rekonstruktion. Nun ist es Forschern erstmals gelungen, zwei relativ komplexe organische Verbindungen abzulichten, die aus zehn beziehungsweise elf Atomen bestehen.

Die Coulomb-Explosion von Iodpyridin (C5H4IN)  zeigt  die Kohlenstoffatome (rot) und das Stickstoffatom (grün). Der Ring erscheint verzerrt, weil der Detektor kein direktes Abbild, sondern den Impuls der Bruchstücke der Explosion registriert. Das Iodatom und die Wasserstoffatome werden aus geometrischen Gründen nicht dargestellt.
Die Coulomb-Explosion von Iodpyridin (C5H4IN) zeigt die Kohlenstoffatome (rot) und das Stickstoffatom (grün). Der Ring erscheint verzerrt, weil der Detektor kein direktes Abbild, sondern den Impuls der Bruchstücke der Explosion registriert. Das Iodatom und die Wasserstoffatome werden aus geometrischen Gründen nicht dargestellt. Bild: European XFEL / Rebecca Boll, Till Jahnke

Die Experimente wurden am weltweit größten Röntgenlaser, dem „Europäischen Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich“, dem European XFEL, durchgeführt. Die Anlage in Hamburg liefert seit rund fünf Jahren brillante Röntgenblitze, die mit einer Dauer von Billiardstelsekunden (Femtosekunden) extrem kurz sind. Die Wellenlänge des Röntgenlichts entspricht etwa der Größe von Atomen. Dadurch lassen sich kleine Kristalle und einzelne Moleküle in der Gasphase im Detail untersuchen.

ANZEIGE

Als Forschungsobjekte dienten den Physikern um Rebecca Boll vom XFEL und Till Jahnke von der Goethe Universität Frankfurt Iodpyridin (C5H4IN) und Iodopyrazin (C4H3IN2), zwei aromatische Kohlenwasserstoff-Verbindungen einer Größe, die der von Nukleinbasen in Erbmolekülen vergleichbar ist. Die Forscher verdampften die Substanzen und formten daraus jeweils feine Molekülstrahlen. Jeden lenkten sie in eine Zone, in der die Röntgenblitze des XFEL den Weg der Moleküle kreuzten. Die Intensität der Strahlungspulse war so hoch, dass einem getroffenen Molekül viele Elektronen entrissen wurden. Zurück blieben positiv geladene Atome.

ANZEIGE

Infolge der elektrostatischen Abstoßung brach das Molekül sofort auseinander, noch bevor sich die Atome darin räumlich umordnen konnten. Seine Bestandteile – Ionen des Kohlenstoffs, Iods, Stickstoffs und Wasserstoffs – flogen nun in alle Richtungen davon. Mit dem sogenannten COLTRIMS-Reaktionsmikroskop, einer speziellen Kamera, die Physiker der Universität Frankfurt entwickelt haben, wiesen Boll und ihre Kollegen die Ionen mit Detektorplatten nach. Aus Ort und Zeitpunkt des Einschlags konnten die Forscher die Flugbahn und den Impuls jedes einzelnen Teilchens bestimmen. Aus den Daten ließen sich schließlich die ursprüngliche Geome­trie und die Struktur sowohl des Iodpyridin- als auch des Iodopyrazin-Moleküls rekonstruieren. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature Physics“ berichten, konnten sie viel über die Prozesse lernen, die während des Aufbruchs passieren. Dabei konnten sie sogar die leichten Wasserstoffatome sichtbar machen und ihr Reaktionsverhalten untersuchen.

Die Qualität der so erhaltenen Momentaufnahmen hat die Forscher überrascht. Vergleichbares wäre mit einem herkömmlichen Femtosekundenlaser kaum möglich. Nun will das Team um Rebecca Boll die Einzelbilder zu einer Filmsequenz zusammenfügen, um die ganze Dynamik der Molekülexplosion studieren zu können. „Unser großes Ziel ist es, photochemische Reaktionen auf Molekülebene zu filmen“, sagt Till Jahnke. Dazu wollen die Physiker das Molekül zunächst mit einem Laserpuls anregen und danach erst in seine Bestandteile zerlegen und analysieren.

Mithilfe des Frankfurter Reaktionsmi­kroskops lassen sich neben den Atomen auch einzelne Elektronen nachweisen, die etwa von einem ionisierten Molekül abgegeben werden. Diesen Umstand haben Physiker um Jahnke kürzlich dazu genutzt, die Dynamik elementarer physikalischer Prozesse wie den photoelektrischen Effekt zu untersuchen. Die Forscher wollten wissen, wie lang es nach der Absorption eines Photons dauert, dass ein Elektron von einem Molekül ausgesandt wird. Sie bestrahlten dazu ein Kohlenmonoxid-Molekül mit dem intensiven Licht der Synchrotronquelle Bessy II in Berlin. Als Folge der Anregung brach das Molekül auseinander. Dabei wurde durch den Photoeffekt ein Elektron frei, allerdings erst nach einer gewissen zeitlichen Verzögerung. Diese betrug im Mittel 130 Attosekunden (Trillionstelsekunden), wie die Forscher in „Nature Communications“ berichten. Allerdings hing der Zeitpunkt der Elektronen-Emission davon ab, unter welchem Winkel, also in welche Richtung, das Teilchen das Molekül verließ.

ANZEIGE
Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot
Zertifikate
Weiterbildung in der Organisationspsychologie
Sprachkurse
Lernen Sie Italienisch
Englisch
Verbessern Sie Ihr Englisch
ANZEIGE