Schweizer Forscher haben als erste „live“ verfolgt, wie sich die Struktur eines komplexen Moleküls während einer chemischen Reaktion verändert. Darüber berichten sie in der aktuellen Online-Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Science“.
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In ihrem Experiment haben die Wissenschaftler mit Röntgenpulsen, die nur wenige Femtosekunden lang waren, die Strukturen abgebildet, die das Molekül auf dem Weg vom Anfangs- zum Endzustand einer Reaktion durchläuft.
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Moleküle im Wandel
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.
Laserpuls regt Molekülveränderung an
Möglich wurde dies durch ein Verfahren, das von Forschern um Majed Chergui von der ETH Lausanne (EPFL) und vom Paul Scherrer Institut (PSI) 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 in zahlreichen Laboren verfügbaren Femtosekundenlaser können diese detaillierte Strukturinformation nicht liefern. Eine Femtosekunde entspricht 0.000000000000001 Sekunden, das heißt eine Femtosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zu 32 Millionen Jahren.
Komplexe Moleküle mit Metallatom in der Mitte
In ihren Experimenten untersuchten die Forscher komplexe Moleküle, die um ein Metallatom herum aufgebaut sind und zwar unter natürlichen Bedingungen in einer flüssigen Umgebung. Ähnliche Moleküle haben eine zunehmende Bedeutung in Anwendungen wie Datenspeicherung oder Photovoltaik.
Sie gleichen 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.
(idw – Paul Scherrer Institut (PSI), 12.12.2008 – DLO)
