Moleküle bei der Arbeit fotografiert

Forscher der ETH Lausanne (EPFL) und des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben als erste live verfolgen können, wie sich die Struktur eines komplexen Moleküls während einer chemischen Reaktion verändert. Darüber berichten sie heute in der neuesten Ausgabe von ScienceExpress – der Online-Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science. In ihrem Experiment haben die Forscher mit Röntgenpulsen, die nur wenige Femtosekunden lang waren, die Strukturen abgebildet, die das Molekül auf dem Weg vom Anfangs- zum Endzustand einer Reaktion durchläuft. Die Pulse wurden an der Synchrotronlichtquelle SLS des Paul Scherrer Instituts in Villigen erzeugt. Ähnliche Moleküle, wie die untersuchten, spielen in lebenden Organismen eine wichtige Rolle. So könnten diese Experimente helfen, wichtige Lebensprozesse zu verstehen.

Viele Vorgänge im Organismus wie zum Beispiel das Sehen oder der Sauerstofftransport im Blut beruhen darauf, dass komplexe Moleküle zerfallen, neu entstehen oder ihre Form verändern. Da zwischen Anfangs- und Endzustand nur Milliardstel Sekunden liegen, muss man den Prozess mit extrem kurzen Belichtungszeiten fotografieren, wenn man die einzelnen Zwischenstufen beobachten möchte. Während man schon länger einfache Informationen über die Zwischenzustände einer solchen Reaktion gewinnen konnte, haben die Forscher nun erstmals deren detaillierten Strukturen beobachtet.

Möglich wurde dies durch ein Verfahren, das von der Gruppe um Majed Chergui von der EPFL mit Forschern des Paul Scherrer Instituts entwickelt wurde: Sie regten die Veränderung des Moleküls mit einem Femtosekunden-Laserpuls an, der gewissermassen den Startschuss für die Reaktion darstellte und beobachteten dann einige Femtosekunden später die aktuelle Struktur des Moleküls mit einem ähnlich kurzen Röntgenpuls. Der Röntgenpuls wurde in der Synchrotron Lichtquelle Schweiz am Paul Scherrer Institut in Villigen – einem Elektronenbeschleuniger mit einem Umfang von 288 Metern – erzeugt. Die an in zahlreichen Laboren verfügbaren Femtosekundenlaser können diese detaillierte Strukturinformation nicht liefern. (1 Femtosekunde = 10^-15 Sekunden, d.h. 1 Femtosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zu 32 Millionen Jahren!)

In ihren Experimenten untersuchten die Forscher komplexe Moleküle, die um ein Metallatom herum aufgebaut sind und zwar unter natürlichen Bedingungen – d.h. in einer flüssigen Umgebung. Ähnliche Moleküle haben eine zunehmende Bedeutung in Anwendungen wie Datenspeicherung oder Photovoltaik. Sie ähneln in ihrem Aufbau aber auch Molekülen, die für das menschliche Leben unverzichtbar sind – etwa dem Hämoglobin, das für den Sauerstofftransport im Blut verantwortlich ist. So können diese Forschungsarbeiten zum Verständnis von grundlegenden Lebensprozessen beitragen.