Ultraschnelle Prozesse im Molekül beobachtet

Physiker strahlten extrem intensives Röntgenlicht auf ein Molekül und erlebten eine Überraschung: Ein einziger kurzer Laserpuls löste nahezu alle Elektronen aus dem größten Atom des Moleküls. Durch die elektrische Ladung dieses Atoms wurden die Elektronen des restlichen Moleküls so stark angezogen, dass es innerhalb eines winzigen Sekundenbruchteils explodierte. Die Analyse dieser ultraschnellen Dynamik liefere wichtige Erkenntnisse für die Analyse von Biomolekülen mithilfe von Röntgenlasern, berichten die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature“.

Das Bild zeigt die sogenannten Undulatoren, in denen laserartige Röntgenstrahlung erzeugt wird. Sie befinden sich in einem langen Tunnel unter der Erde.
Röntgenlaser LCLS

In ihren Experimenten beschossen die Forscher Jodmethan-Moleküle mit Lichtpulsen des Röntgenlasers LCLS am Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien. Die Pulse erreichten dabei eine Intensität von 100 Billiarden Kilowatt pro Quadratzentimeter. Zunächst entriss das intensive Röntgenlicht dem Jodatom nur fünf bis sechs stark gebundene Elektronen, die sich näher am Atomkern aufhalten. Elektronen aus der äußeren Atomhülle füllten die leeren Plätze auf, doch das eingestrahlte Röntgenlicht löste sie umgehend wieder heraus. Das Jodatom wurde auf diese Weise immer weiter ionisiert – und zog durch die resultierende hohe positive Ladung auch Elektronen von den benachbarten Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen ab. Der gesamte Vorgang lief so schnell ab, dass die Elektronen alle vom selben Röntgenblitz aus dem Molekül katapultiert wurden. In weniger als einer billionstel Sekunde verlor das Jodmethan so bis zu 54 seiner insgesamt 62 Elektronen und es entstand ein 54-fach positiv geladenes Molekül. Die positive Ladung konzentrierte sich innerhalb eines zehntel milliardstel Meters – wodurch das Molekül schließlich zerriss. „Das ist unseres Wissens die höchste Ionisation, die je mit Licht erreicht worden ist“, erläutert Teammitglied Robin Santra vom Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg.

Jodmethan diente bei dieser Studie als Modellsystem. „Jodmethan ist als relativ einfaches Molekül gut geeignet, um die Prozesse in anderen, komplexer aufgebauten organischen Verbindungen zu verstehen“, so Erstautor Artem Rudenko von der Kansas State University in den USA. Die neuen Beobachtungen geben den Forschern grundlegende Einsichten, die ihnen helfen, künftige Experimente an Röntgenlasern mit komplexeren Molekülen besser zu planen und zu interpretieren. Mit dem extrem intensiven Röntgenlicht lässt sich unter anderem die räumliche Struktur komplexer Moleküle auf einzelne Atome genau bestimmen. Aus diesen Strukturinformationen schließen beispielsweise Biologen auf die genaue Funktionsweise von Biomolekülen.