Gestreute Elektronen filmen rasante Molekül-Prozesse

Columbus (USA) – Moderne Fernseher zeigen hochaufgelöste Filme mit 100 Einzelbildern pro Sekunde an. Milliardenfach schneller filmen spezielle Laser-Kameras die rasanten Bewegungen einzelner Moleküle. Physiker verfeinerten dazu ein Analyseverfahren, das bisher für die Untersuchung von Oberflächen genutzt wurde. Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, konnten sie über die Streuung einzelner Elektronen die Dynamik und Struktur von Stickstoffmolekülen mit bisher unerreichter Genauigkeit messen.

Streuungsspektrum mit zurückgeworfenen Elektronen.
Prinzip der Messmethode

Durch den geschickten Einsatz von infraroten Laserpulsen konnten Cosmin Blaga und seine Kollegen von der Ohio State University die Dynamik von Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle filmen. Dabei erreichten sie eine räumliche Genauigkeit im Zehntel Nanometer-Bereich und eine zeitliche Auflösung von wenigen Femtosekunden. Eine Femtosekunde entspricht dem millionstel Teil einer milliardstel Sekunde.

Für ihre Methode schossen die Forscher mit infraroten Laserpulsen jeweils ein einziges Elektron aus seiner Umlaufbahn um ein Molekül. Schon nach extrem kurzer Zeit fiel dieses Elektron wieder zurück und wurde vom Moleküle quasi wieder eingefangen. Während dieses Prozesses sendete es Streusignale aus, die die Wissenschaftler mit empfindlichen Detektoren aufzeichnen konnten. Aus den daraus gewonnenen Beugungsmustern schlossen sie sowohl auf Größe als auch auf die Form des Moleküls zurück. Zudem konnten die Bewegungen des Moleküls zwischen dem Herausschlagen und dem Wiedereinfangen – einer Zeitspanne von wenigen Femtosekunden – genau gemessen werden.

„Unser Ziel ist es, mit dieser laserinduzierten Elektronenbeugung noch komplexere, biologische Moleküle untersuchen zu können“, sagt Blaga. Allerdings ist dabei mit weitaus schwieriger zu interpretierenden Beugungsmustern zu rechnen. Allzu schnell ist daher nicht mit hochaufgelösten Filmen beispielsweise von Proteinreaktionen zu rechnen.

Louis Di Mauro, der ebenfalls an den ersten Experimenten beteiligt war, sieht neben dem Filmen der Moleküldynamik noch eine weitere Chance in der Elektronenbeugung. „Wir realisierten, dass wir durch die Anpassung der anregenden Laserpulse auch die Flugbahnen des Elektrons kontrollieren konnten.“ In weiteren Versuchen will er daher ausprobieren, ob sich durch diese rudimentäre Kontrolle über die Elektronen auch der Verlauf chemischer Reaktionen beeinflussen lässt.