Physiker und Chemiker träumen davon, chemische Reaktionen zu filmen – und dabei einzelne Moleküle ins Visier zu nehmen. Dafür ist eine extrem hohe zeitliche und räumliche Auflösung nötig: Die Bilder müssten Vorgänge abbilden, die nur billiardstel Sekunden dauern, und Strukturen, die kleiner sind als ein milliardstel Meter.
Auf dem Weg zum molekularen Film
Sollte es gelingen, solche Filme zu produzieren, kämen die Wissenschaftler bei der Aufklärung chemischer Reaktionen und der Untersuchung von Veränderungen von Molekülen einen entscheidenden Schritt voran. Nun hat eine Forschergruppe auf der Basis von Röntgenstrahlung ein Verfahren entwickelt, durch das der "molekulare Film" in Reichweite rückt. An der Studie, die in dem renommierten Fachmagazin "Nature Photonics" veröffentlicht ist, sind neben Wissenschaftlern der Technischen Universität und des Helmholtz-Zentrums Berlin auch Forscher der Universität Münster beteiligt.
Die Wissenschaftler haben ein spezielles Verfahren entwickelt, durch das sie mithilfe zweier minimal zeitversetzter Röntgenpulse zwei zeitlich versetzte Abbildungen eines winzigen Objektes erhalten – ein großer Schritt auf dem Weg zu einem Film. "Neben höchst auflösenden Elektronenmikroskopen ist auch Röntgenstrahlung in der Lage, Abbildungen mit einer Auflösung zu liefern, die im Größenbereich unter einem milliardstel Meter liegt – also im Sub-Nanometer-Bereich", erklärt Helmut Zacharias, Professor am Physikalischen Institut der Universität Münster und Arbeitsgruppenleiter am Center for Nanotechnology (CeNTech), der an der Studie beteiligt ist. Mit sogenannten Freien Elektronenlasern (FEL) biete sich zudem die Möglichkeit, Pulsdauern von wenigen billiardstel Sekunden (Femtosekunden) im Röntgenbereich zu erzeugen. "Diese beiden Eigenschaften bieten ideale Voraussetzungen, um Miniatur-Schnappschüsse von ultraschnellen Ereignissen zu machen. Zwar können im Röntgenbereich keine herkömmlichen Linsen eingesetzt werden. Dennoch können holografische Verfahren hochpräzise Abbildungen liefern", sagt der Physiker.
Dieses Verfahren wurde erfolgreich am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH) am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) getestet. Dabei kamen Wellenlängen des Lasers im sogenannten weichen Röntgenbereich zum Einsatz. Künftig soll die Methode auch im harten Röntgenbereich angewendet werden: am derzeit im Bau befindlichen europäischen Röntgenlaser XFEL, der 2014 in Hamburg in Betrieb gehen wird. Damit sollen große Biomoleküle "gefilmt" werden. Die Auflösung soll noch deutlich besser sein als bei weichen Röntgenwellen – so soll sogar die Bewegung einzelner Atome sichtbar werden. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Helmut Zacharias entwickelt derzeit einen Strahlenteiler für diesen "Super-Röntgenlaser".