09.06.2020 • Atome und Moleküle

Momentaufnahmen von explodierendem Sauerstoff

Neue Experimentiertechnik mit Reaktionsmikroskop erzeugt Röntgenbilder einzelner Moleküle.

Mit einer neuen Experimentier­technik ist es einem inter­nationalen Forscherteam am Röntgen­laser European XFEL erstmals gelungen, einzelne Moleküle wie Sauerstoff zu röntgen und sich ihre Bewegung im Mikro­kosmos anschauen. Die extrem starken Laser­pulse rauben dem Molekül innerhalb kürzester Zeit zwei fest gebundene Elektronen. Dadurch entstehen zwei positiv geladene Ionen, die aufgrund der elektrischen Abstoßung explosions­artig auseinander­fliegen. Die Forscher machen sich zunutze, dass Elektronen sich auch wie Wellen verhalten.

Abb.: Der Röntgenlaser schlägt Elektronen aus den Atomen des...
Abb.: Der Röntgenlaser schlägt Elektronen aus den Atomen des Sauerstoff-Moleküls, initiiert so den Aufbruch des Moleküls und löst ein weiteres Elektron aus einem der Ionen. Das Elektron hat Wellen-Eigenschaften, die Wellen werden am anderen Ion gebrochen. Das Brechungsmuster erlaubt es, den Aufbruch des Sauerstoff-Moleküls in mehreren Schritten zu beobachten (Bild: T. Jahnke, GUF)

„Die Elektronen-Welle wird während der Explosion am Molekül­gerüst gebrochen“, erläutert Projekt­leiter Till Jahnke von der Uni Frankfurt. „Wir haben das entstehende Brechungs­muster aufgenommen. So konnten wir das Molekül quasi von innen durch­leuchten und ihm in mehreren Schritten beim Aufbruch zuschauen.“

Für dieses „Electron Diffraction Imaging“ haben die Forscher über mehrere Jahre hinweg die auch als „Reaktions­mikroskop“ bezeichnete COLTRIMS-Technik weiter­entwickelt. Eine entsprechende Apparatur wurde im Vorfeld für die Anforderungen am European XFEL angepasst. Das Ergebnis ist ein erster Nachweis dafür, dass diese neue Experi­mentier­methode funktioniert. Künftig könnten damit photo­chemische Reaktionen einzelner Moleküle durch solche zeitlich hoch aufge­lösten Bilder unter­sucht werden. Zum Beispiel ließe sich die Reaktion eines mittel­großen Moleküls auf UV-Strahlung in Echtzeit beobachten.

GUF / RK

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