Schneller als die Explosion

Neues Verfahren ermöglicht Abbildung einzelner Moleküle, Viren oder Zellen

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg mit der FLASH-Experimentierhalle (vorn) © DESY Hamburg

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter Beteiligung der TU Berlin konnte erstmals demonstrieren, wie man mit einzelnen kurzen Pulsen weicher Röntgenstrahlung Bilder von mikroskopischen Proben im Nanobereich aufnimmt, bevor sie durch Strahlenschäden explodieren.

Die Methode erlaubt die Abbildung sehr feiner Strukturen, insbesondere biologischer Substanzen, eine wichtige Grundlage zum Verständnis der Funktionen, beispielsweise von Viren, einzelnen Zellen oder Makromolekülen. Das "FLASH-Imaging-Verfahren" kann auch die Struktur nicht-kristalliner oder nicht-periodischer Proben, das heißt ultimativ einzelner Moleküle, ermitteln.

Das Experiment selbst fand am "FLASH Freie-Elektronen-Laser" des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY in Hamburg statt. Die Untersuchungen wurden federführend von den Arbeitsgruppen um Janos Hajdu aus Uppsala und Stanford sowie Henry N. Chapman vom Lawrence Livermore Laboratory (USA) in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um Thomas Möller und Christoph Bostedt vom Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin durchgeführt.

Die Wissenschaftler experimentieren bisher nicht mit Makromolekülen, sondern mit dünnen Schichtproben. Sie beschießen sie mit extrem kurzen Lichtpulsen aus dem intensiven FLASH-Laser bei DESY. Die Intensität der Pulse ermöglicht es, innerhalb einer extrem kurzen Zeitspanne Bilder der Proben aufzunehmen, bevor diese durch den Laserpuls vollständig explodieren. Ein Lichtpuls dauert zirka 25 Femto-Sekunden. Zum Vergleich: Das Licht benötigt für die Strecke von der Erde bis zum Mond eine Sekunde. In 25 Femto-Sekunden legt es nicht einmal den Durchmesser eines Haares zurück.

Das "Flash-Imaging" ist nur auf großen Anlagen möglich, mithilfe extrem intensiver Laser für Röntgenstrahlung, die auf Teilchenbeschleunigern basieren. Für die Zukunft sind noch größere Röntgenlaser für höherenergetische und damit kurzwellige Strahlung geplant. Ein europäisches Projekt verfolgt den Neubau einer rund drei Kilometer langen Anlage in Hamburg. Ein ähnliches Projekt ist in den USA im Bau. Auch am Berliner Elektronenspeicherring für Synchrotronstrahlung (BESSY) ist ein Röntgenlaser in Planung, um Strukturuntersuchungen mit einer immer besseren Auflösung zu ermöglichen.

Die Physiker der TU Berlin haben langjährige Erfahrungen mit Experimenten im Nanobereich. "Wir untersuchen insbesondere die Prozesse, die bei den Explosionen sogenannter Cluster aus 100 bis 1000 Atomen und bei Nanokristallen ablaufen, wenn sie mit Röntgenstrahlung in Kontakt kommen. Wir waren weltweit die erste Arbeitsgruppe, die dieses Phänomen mit kurzwelliger Strahlung untersuchte, wie sie für die Abbildung feiner Details notwendig ist. Uns interessiert dabei die Wechselwirkung von Licht mit Materie. Wir analysieren sie mit Clustern aus verschiedenen Materialien", erläutert Thomas Möller von der TU Berlin. Diese Cluster und Nanokristalle erweitern das Periodensystem der Elemente in die "dritte Dimension". Mit ihren unterschiedlichen Größen und Strukturen stellen sie so ein Bindeglied zwischen Atomen und Festkörpern dar.

Stefanie Terp

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