Explosive Fußbälle

Mit intensiven Röntgenlaserblitzen hat ein internationales Forscherteam die Explosion winziger „Fußballmoleküle“ analysiert. Das Experiment, in dem die Buckminsterfullerenein weniger als hundert Femtosekunden auseinanderbrachen, belegt, dass die Explosion der Fullerene in einer vorhersagbaren Art und Weise abläuft. 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 Robin Santra, der 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 seine Kollegin Nora Berrah von der Universität von Connecticut.

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 die Linac Coherent Light Source LCLS am US-Forschungszentrum SLAC und beschossen mit ihm die Buckyballs als gut bekanntes, moderat komplexes Testsystem. „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 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.“

DESY / OD