Kamera filmt Atombewegungen in Molekülen
Geschickte Methode der Elektronenstreuung liefert zeitlich und räumlich hochaufgelöste Aufnahmen.
Mit extrem kurzen Laserpulsen kann heute bereits die Dynamik innerhalb von Molekülen mit hoher zeitlicher Auflösung verfolgt werden. Eine Alternative zu diesen Pump-Probe-Techniken entwickelten nun amerikanische Physiker, die die Streuung von einzelnen Elektronen innerhalb einfacher Moleküle analysierten. Mit ihrer aus der Oberflächenphysik stammenden Methode der Laser-induzierten Elektronenbeugung (LIED) erhielten sie Molekülbilder mit einer Genauigkeit im Zehntel-Nanometer-Bereich bei einer zeitlichen Auflösung weniger Femtosekunden.
Abb.: Ein mit Infrarot-Lasern angeregtes Elektron wird nach wenigen Femtosekunden wieder von einem Stickstoff-Molekül eingefangen. Aus den resultierenden Beugungsmustern lässt sich auf Dynamik, Größe und Form des Moleküls zurückschließen. (Bild: Blaga et al.)
Cosmin Blaga und seine Kollegen von der Ohio State University wählten für die ersten Analysen die einfach aufgebauten Moleküle von Stickstoff und Sauerstoff. Diese regten sie mit infraroten Laserpulsen mit verschiedenen Wellenlängen an (1700, 2000, 2300 nm). Dadurch schossen sie jeweils ein einziges Elektron aus einem Molekülorbital. Dieses gelangte allerdings nicht ins Kontinuum, sondern fiel nach einer extrem kurzen Zeitspanne von wenigen Femtosekunden wieder in den Elektronenverbund des Moleküls zurück.
Während dieser Kollision mit dem Rumpfmolekül sendete das Elektron Streusignale aus. Mit empfindlichen Detektoren konnten die Wissenschaftler dieses Beugungsmuster aufzeichnen und aus deren Analyse sowohl auf Größe als auch auf die Form des Moleküls selbst zurückschließen. Damit erschloss sich auch die Dynamik des Moleküls zwischen zwei anregenden Laserpulsen, die in einem Abstand von 50 Femtosekunden die Gasmoleküle anregten. So konnten die Bewegungen des Moleküls zwischen dem Herausschlagen und dem Wiedereinfangen – einer Zeitspanne von wenigen Femtosekunden - genau analysiert werden.
„Unser Ziel ist es, mit dieser Laser induzierten Elektronenbeugung noch komplexere, biologische Moleküle untersuchen zu können“, sagt Blaga. Allerdings ist dabei mit weitaus schwieriger zu interpretierenden Beugungsmustern zu rechnen. Allzu schnell ist daher nicht mit hochaufgelösten Filmen bespielsweise von Proteinreaktionen zu rechnen. Doch auch Misha Ivanov vom Imperial College in London schreibt in einem begleitenden Kommentar, dass sich diese Mühe für einer Weiterentwicklung der LIED lohnen würden.
Louis Di Mauro, der ebenfalls an den ersten Experimenten beteiligt war, sieht neben dem Filmen der Moleküldynamik noch eine weitere Chance in der Elektronenbeugung. „Wir realisierten, dass wir durch die Anpassung der anregenden Laserpulse auch die Flugbahnen des Elektrons kontrollieren konnten.“ In weiteren Versuchen will er daher ausprobieren, ob sich durch diese rudimentäre Kontrolle über die Elektronen auch der Verlauf chemischer Reaktionen beeinflussen lassen.
Jan Oliver Löfken
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