Posted in: Physik 12. November 2006 19:01 Weiter lesen →

Blitzartig abgelichtet

Ein intensiver Strahlungsblitz kann den Aufbau kleinster biologischer und technischer Objekte enthüllen. Die Machbarkeit dieser brachial anmutenden Methode hat eine internationale Forschergruppe erstmals demonstrieren können. Bei den Versuchen in Hamburg wurde eine Tausendstel Millimeter feine Keramikstruktur durch einen Röntgenblitz abgelichtet – bevor sie sich in ein 60.000 Grad Celsius heißes Plasma verwandelte.

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Aus dem Beugungsmuster des Röntgenblitzes konnten die Forscher das Ritzmuster mit einer Auflösung von ca. 50 Nanometern rekonstruieren. Bilder: Chapman et al.

„Diese Bildgebungsmethode könnte sich zum Standard mausern und auf der Größenskala von Zellen, Zellbestandteilen und sogar einzelnen Molekülen angewandt werden“, hofft Henry Chapman vom Lawrence Livermore National Laboratory. Für die neue Technik genüge prinzipiell ein einzelnes Proteinmolekül, während bislang meist Kristalle gezüchtet werden müssten. Zudem liefere der extrem kurze und helle Blitz ein Bild, das nicht durch allmählich auftretende Strahlungsschäden verzerrt sei.

Chapman und Kollegen führten ihre Versuche am Deutschen Elektronen-Synchrotron durch. Dort brachten sie eine Siliziumnitrid-Membran, in die sie ein Strichmuster geritzt hatten, in den Strahlengang des Freie-Elektronen-Lasers FLASH. In dem Instrument werden Bündel von Elektronen bis hart an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann von einem Magnetfeld durchgeschüttelt, sodass sie im Gleichtakt Strahlung aussenden. In diesem Fall waren es lediglich 25 Femtosekunden (Billiardstel Sekunden) kurze Strahlungspakete einer Röntgen-Wellenlänge von 32 Nanometern.

Durch das Siliziumnitrid wurde die Strahlung etwas „gebremst“, während sie durch die feinen Striche des Musters ungehindert hindurchtreten konnte. Aus der Überlagerung der unterschiedlich beeinflussten Wellenanteile ergab sich ein Beugungsbild, das die Forscher mit einem Sensorchip registrierten. Tatsächlich konnten sie aus diesem Bild das ursprüngliche Strichmuster mit einer Auflösung von etwa 50 Nanometern rekonstruieren.

Die Aufregung über die neuen Resultate sei groß, erklärt Janos Hajdu vom Stanford Linear Accelerator Center und von der Universität Uppsala. Der Forscher hatte mit seinen Arbeiten das Fundament für die neue Methode gelegt und war auch an dem Hamburger Experiment beteiligt. „Mit der Blitz-Bildgebung können molekulare biologische Strukturen auf völlig neue Art und Weise erforscht werden. Schon jetzt bildet sich zu diesem Zweck eine neue Wissenschaftlergemeinschaft, in der erstmals Biologie und Atom-, Plasma- sowie Astrophysik zusammenkommen.“

Forschung: Henry N. Chapman, Lawrence Livermore National Laboratory und Center for Biophotonics Science and Technology, University of California, Davis; Janos Hajdu, SLAC-Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, Menlo Park, Kalifornien, und Laboratory of Molecular Biophysics, Uppsala University; Elke Plönjes und Marion Kuhlmann, Deutsches Elektronen-Synchrotron, Hamburg; und andere

Veröffentlichung Nature Physics, DOI 10.1038/nphys461

WWW:
Lawrence Livermore National Laboratory
Hajdu Group, Uppsala
Physics of the X-ray Free Electron Laser
Deutsches Elektronen-Synchrotron
FLASH
X-ray Serial and Single Molecule Diffracton Imaging
Kristallstrukturanalyse

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