Freie-Elektronen-Laser filmt in der Nanowelt

Hamburg/Livermore (USA) - Nährstoffe werden in Energie umgesetzt, Muskeln bewegen sich und Krankheitserreger werden abgetötet. So gut diese Prozesse verstanden sind, geben sie auf molekularer Ebene noch immer Rätsel auf. Ein internationales Forscherteam entwickelte nun eine Technologie, mit der sich die chemischen Reaktionen in Biomolekülen bald in allen Details beobachten lassen könnten. Ultrakurze Röntgenblitze bilden dabei die Grundlage für holographische Aufnahmen auf der Nanoebene. Über erste Ergebnisse mit dem FLASH-Freie-Elektronen-Laser in Hamburg berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Nature".

"Unsere Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass Röntgenblitze für hochaufgelöste Aufnahmen von biologischen Proben genutzt werden können", schreiben Henry N. Chapman und seine Kollegen vom Lawrence Livermore National Laboratory. Zusammen mit schwedischen und deutschen Physikern schossen sie mit dem FLASH-Röntgenlaser am Deutschen Elektronen Synchrotron in Hamburg 25 Femtosekunden kurze Blitze (32,5 Nanometer Wellenlänge) auf 140 Nanometer kleine Kugeln aus Polystyrol. Später könnten diese unbelebten Proben durch Biomoleküle ersetzt werden.

Durch die geschickte Anordnung eines reflektierenden, vielschichtigen Spiegels hinter der Probe erhielten sie zwei so genannte Streumuster, die übereinander gelagert die Grundlage für die holographische Aufnahme bilden. Der Röntgenblitz trifft dazu auf die Polystyrol-Kugel und wird von dieser gestreut. Zugleich führt dieser Beschuss zur Explosion der Kugel. Danach trifft der Röntgenstrahl nahezu senkrecht auf den Spiegel, wird reflektiert und trifft abermals auf die explodierende Nanokugel. Zweimal wird der Röntgenstrahl an der Probe gestreut. Mit beiden Datensätzen zusammen lässt sich der Explosionsvorgang der Nanokugel im Detail festhalten. Er wird quasi gefilmt.

Schon länger ermöglichen extrem kurze Lichtpulse eine Analyse von chemischen Reaktionen. Mit Laserblitzen im Femto- und Attosekundenbereich ließen sich bereits die Geschwindigkeiten solcher Vorgänge messen. Doch mit den kohärenten Röntgenblitzen lassen sich diese Prozesse zusätzlich im Bild festhalten. Diese Methode der Femtosekunden-Röntgenholographie hat das Potenzial, noch viel genauere Aufnahmen zu liefern. "Wenn die Röntgenwellenlängen bis auf ein Zehntel Nanometer zurückgehen, könnte die Größe der abgebildeten Objekte bis auf die atomare Skala schrumpfen", schreibt Andrea Cavalleri von der University of Oxford in einem begleitenden Kommentar. Nicht nur bei anorganischen Proben wie in diesem ersten Versuch, sondern auch bei Biomolekülen könnte die Röntgenholographie zu neuen und wichtigen Erkenntnisse führen. Derzeit liefert der Hamburger Röntgenlaser bereits Wellenlängen von sechs Nanometern und darunter. Bis 2013 könnte die nächste Ausbaustufe des XFEL sogar das Ziel von 0,1 Nanometer Wellenlänge erreichen.