10.01.2011

Molekulare Abläufe filmen

Hologramme ermöglichen Röntgenaufnahmen im Femtosekundenabstand.

Hologramme ermöglichen Röntgenaufnahmen im Femtosekundenabstand.

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und der Technischen Universität Berlin (TUB) stellen eine Methode vor, die ein wichtiger Schritt zum „molekularen Film“ ist. Sie können Bilder in einem so kurzen Zeitabstand aufnehmen, dass man Moleküle und Nanostrukturen zukünftig in Echtzeit beobachten kann.

Ein „molekularer Film“, der zeigt, wie sich ein Molekül im wichtigsten Moment einer chemischen Reaktion verhält, würde helfen fundamentale Vorgänge der Naturwissenschaften besser zu verstehen. Solche Prozesse sind oft nur einige Femtosekunden lang. In diesem Zeitfenster kann man mit einem ultrakurzen Lichtblitz zwar ein Bild aufnehmen – aber nicht mehrere. Die Bilder würden sich auf dem Detektor, der das Bild wiedergibt, überlagern und „verwaschen“. Den Detektor alternativ zwischen zwei Bildern auszuwechseln, würde zu lange dauern. Der Forschergruppe „Funktionale Nanomaterialien“ des HZB und der TU Berlin ist es gemeinsam mit Kollegen der Universität Münster gelungen, mit Hilfe des Röntgenlasers „FLASH“ bei DESY in Hamburg solche ultraschnellen Bildsequenzen von Mikrometer kleinen Objekten aufzunehmen.

Abb.: Das abgebildete Brandenburger Tor ist nur wenige Mikrometer groß. Mit 50 Femtosekunden Zeitabstand haben die Wissenschaftler die grüne und rote Abbildung des Objekts aufgenommen. (Bild: HZB)

Die Idee der Forscher ist die Folgende: Als Detektor dient ein Röntgen-Hologramm. Es erlaubt, zwei Abbildungen gleichzeitig aufzunehmen. Zunächst zerteilen die Wissenschaftler einzelne Strahlenbündel eines Röntgenlaserstrahls in zwei separate Lichtblitze. Einem Lichtblitz zwingen sie einen kleinen Umweg auf, wodurch beide minimal zeitlich und räumlich versetzt auf das abzubildende Objekt treffen. Es entstehen zwei Hologramme. Aus diesen kann man beide Bilder rekonstruieren. Dabei ist die Position der rekonstruierten Bilder verschieden und hängt davon ab, von welchem Lichtblitz sie erzeugt wurden. Die Forscher ordnen die Bilder einfach den jeweiligen Lichtblitzen zu und erhalten so die zeitlich richtige Abfolge der Bildsequenz.

Theoretisch lässt sich dieses Verfahren auf mehr Bilder ausdehnen. Dazu müsste der Strahl lediglich in mehr Teilstrahlen aufgespalten werden, die jeweils räumlich und zeitlich getrennt würden. Den limitierende Faktor stellt dabei die zur Verfügung stehende Lichtintensität dar.

Mit ihrer Methode nahmen die Berliner Wissenschaftler zwei Bilder eines Brandenburger Tor-Modells im Mikroformat mit 50 Femtosekunden Abstand auf. „In diesem kurzen Zeitintervall kommt selbst ein Lichtstrahl nur um die Breite eines Haares voran“, sagt Christian Günther. Dabei erlaubt die kurzwellige Röntgenstrahlung die Abbildung kleinster Strukturen. Denn je kürzer die Wellenlänge des Lichts ist, desto kleinere Objekte können abgebildet werden.

„Das langfristige Ziel ist es, die Bewegung von Molekülen und Nanostrukturen verfolgen zu können, zum Beispiel während chemischer Reaktionen“, sagt Eisebitt. „Unsere Methode ist ein wichtiger Schritt hin zum ‚molekularen Film‘, der uns hilft, die fundamentalen Vorgänge bei physikalischen und chemischen Prozessen zu sehen und zu verstehen. Beispiele sind Änderungen der Form von Enzymen während der chemischen Reaktion oder ultraschnelle Magnetisierungsänderungen in neuartigen Datenspeichern.“

HZB / TUB / KK

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