Übergreifend

Reise in die Forschung

Moleküle in Action - Drehbuch für einen Film der Extreme

In unserer LEIFI-Reihe „Reise in die Forschung“ stellen wir euch in größeren Abständen verschiedene Forschungsprojekte aus der Physik vor. Dabei erhaltet ihr nicht nur einen Einblick in aktuelle Forschungsthemen sondern erfahrt auch, wie fachübergreifend solche Projekte häufig bearbeitet werden.

Moleküle in Action - Drehbuch für einen Film der Extreme

Die Story

Moleküle setzen sich aus mehreren Atomen zusammen. Es gibt gleichatomige Moleküle, wie zum Beispiel Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2), und Moleküle aus verschiedenen Atomen, wie zum Beispiel Wasser (H2O) oder Traubenzucker (C6H12O6). Der Funktionsweise von Molekülen kann man auf die Spur kommen, wenn man ihre Struktur und die Veränderungen dieser Struktur bis ins kleinste Detail versteht. Molekulare Strukturen wurden im letzten Jahrhundert schon ausführlich erforscht. Die Veränderungen dieser Strukturen verfolgen zu können, ist jedoch noch Neuland. Das wollen wir in unserer Arbeitsgruppe (und viele andere Wissenschaftler) nun ändern, indem wir so genannte Molekülfilme aufnehmen. Diese sollen zeigen, wie Moleküle ihre Struktur verändern, wie sie mit anderen Molekülen reagieren oder was passiert, wenn sie zerstört werden. Solche Prozesse passieren ständig in biologischen Systemen wie unserem Körper, in der Atmosphäre der Erde oder auch in Sternenwolken. Sie erlauben beispielsweise auch das Sehen und spielen eine wichtige Rolle während der Photosynthese.

Die Schauspieler

Abb. 1: Ein Molekülfilm: Die Struktur von Stilben kann mit UV Licht verändert werden. Aber wie genau passiert der Übergang?

Eine Molekülart, an der wir forschen wollen, sind Stilbene (C14H12, siehe Abb. 1). Dieses Molekül hat zwei Strukturen, die durch Einstrahlung von UV Licht ineinander übergehen können. Stilben ist die Basisstruktur der Verbindung Resveratrol, die zum Beispiel in Weintrauben vorkommt. Dieser Stoff kann helfen Krebszellen zu bekämpfen. Die verschiedenen Strukturen wirken dabei unterschiedlich gut. Wir wollen verstehen, wie bei Stilbenen Strukturveränderungen im Detail ablaufen. Verstünde man solche Prozesse bei Krebsmedikamenten, könnte man diese gezielter entwickeln und einsetzen.

Die Kamera

Um kleine Dinge zu betrachten, gibt es verschiedene Möglichkeiten: Biologen nutzen zum Beispiel Lichtmikroskope (Lichtmikroskope). Moleküle sind allerdings zu klein um ihre Strukturen damit betrachten zu können. Die beste räumliche Auflösung, die man mit einem Lichtmikroskop erreichen kann, ist durch die Wellenlänge des Lichtes bestimmt. Mit sichtbarem Licht kann man Strukturen bis zu circa 200 nm (wobei 1 nm = 10-9 m) auflösen. Die Strukturen, die wir untersuchen wollen, sind allerdings 10 bis 0,1 nm groß, weshalb zum Abbilden der Molekül-Strukturen kein sichtbares Licht verwendet werden kann. Stattdessen kann Licht mit einer kürzeren Wellenlänge, also zum Beispiel Röntgenstrahlung, genutzt werden oder auch Elektronen.

Um den Molekülen bei ihren Bewegungen zuschauen zu können, muss die Kamera neben der guten Auflösung außerdem sehr schnell sein. Eine normale Kamera, wie sie in Hollywood eingesetzt wird, macht circa 100 Bilder pro Sekunde (Bei einem Zeitraffer 100000 Bilder pro Sekunde). Das ist so schnell, dass wir die einzelnen Bilder nicht mehr auseinander halten können, sondern sie als Film wahrnehmen. Die einzelnen Bilder zeigen jeweils Details der Bewegung an, so wie die des laufenden Pferdes in Abb. 2. Um die Strukturveränderung der Moleküle zu beobachten, müssen wir allerdings deutlich schneller sein. Ein Molekül benötigt nur 100 fs um seine Struktur zu verändern. Das sind  0,0000000000001 s (1 fs = 10-15 s).

Abb. 2: Um Bewegungen in ihren Einzelheiten nachvollziehen zu können, muss man die einzelnen Bilder zwischen Anfang und Ende der Bewegung betrachten können (Fotos von Eadweard Muybridge (gestorben 1904). Animation von User: Waugsberg [Public domain], via Wikimedia Commons von Wikimedia Commons).

So kurze Zeitskalen erreichen wir mit gepulsten Lasern. Diese senden kurze und sehr intensive Lichtpulse aus. Mit diesen Pulsen lösen wir Elektronen aus einer Kupferplatte (Photoeffekt). Die Elektronen treten in kurzen Bündeln aus dem Metall und werden mit Hilfe von elektrischen Feldern beschleunigt, bevor sie auf die Moleküle treffen (links in Abb. 3). Abhängig davon, welche Atome im Molekül sind, und vor allem auch wie sie räumlich angeordnet sind, werden die Elektronenbahnen beeinflusst.

Abb. 3: Elektronenstreuung an ausgerichteten Molekülen

Um genau zu verstehen, wie die Elektronenbahnen sich verändern, muss man den Welle-Teilchen-Dualismus miteinbeziehen: Die Elektronen kann man auch als Welle betrachten, die von den Atomen im Molekül gestreut wird. Bildlich kann man sich das vorstellen, als würde eine Welle im Wasser auf Felsen treffen. Das verändert die Form der Welle, Wellenhügel können wieder aufeinander treffen und sich erhöhen oder auslöschen. Ähnlich dazu hat die Elektronenwelle, die auf die Atome im Molekül trifft, danach eine veränderte Wellenform. Das resultierende Interferenzbild wird mit einem Detektor aufgenommen, woraus dann das Aussehen der Moleküle bestimmt werden kann. Verschiedene Strukturen führen zu unterschiedlichen Streubildern. Abb. 4 zeigt die Simulation eines Streubilds für ein zwei-atomiges Molekül. Das Interferenzmuster ist hier sehr ähnlich zu dem des Doppelspalts. Das Molekül steht entlang der vertikalen Achse, zentral vor dem Detektor. Die Richtung, in die das Signal zu und ab nimmt, entspricht der Molekülachse und aus dem Abstand der Maxima und Minima kann man die Distanz der Atome im Molekül bestimmen.

Abb. 4: Simuliertes Streubild für ein zwei-atomiges Molekül

Im Experiment fliegen die meisten Elektronen allerdings ungestört geradeaus. Sie enthalten keine Information über die Struktur des Moleküls und werden daher mit einem Stück Metall kurz vor dem Detektor abgeblockt. So sind die gestreuten Elektronen gut sichtbar.

Mit jedem Elektronenpuls wird ein Bild der Moleküle aufgenommen. Das wird wie mit einem Blitzlicht mehrmals zu verschiedenen Zeitpunkten wiederholt, während die Moleküle ihre Struktur verändern. Wenn wir die Bilder dann zusammensetzen, erhalten wir unseren Molekülfilm.

Der Regisseur

Abb. 5: Orientierung des Moleküls Jodbenzol im Raum

In unseren Experimenten möchten wir uns Moleküle in der Gasphase anschauen. In so einer Gaswolke sind allerdings viele gleichartige Moleküle, die wir uns mit den Elektronen alle gleichzeitig anschauen. Die Moleküle  können in die verschiedensten Richtungen zeigen. Unser Bild, das wir mit Hilfe der Elektronen aufnehmen, wird dadurch ganz „verwaschen“. Daher müssen wir Ordnung in dieses Chaos bringen: Dazu benutzen wir einen weiteren Laser (rechts in Abb. 3). Dieser ist so intensiv, dass er eine Kraft auf die Moleküle ausüben kann. Er beeinflusst das Molekül so, dass es sich entlang einer bestimmten Achse ausrichtet (siehe Abb. 5). Zusammen mit einem statischen elektrischen Feld, das durch zwei Feldplatten erzeugt wird (Kondensator), führt das dazu, dass sich alle Moleküle in eine Richtung orientieren. Die Moleküle kann man dabei als Dipole in einem elektrischen Feld betrachten. Wenn die Elektronen nun an den Molekülen streuen, werden alle ähnlich abgelenkt. Das entstehende Streubild ist deutlich verstärkt und leichter zu interpretieren.

Das Filmstudio

Abb. 6: Vakuumapparatur im Labor (Bild: Coherent Imaging Division, Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY))

Wie so etwas im Labor aussieht ist in Abb. 6 zu erkennen: Die Experimente finden im Vakuum statt. Die Moleküle, die wir untersuchen wollen, kommen aus einer Düse, welche die Moleküle mit Helium gemischt in die Vakuumkammer lässt. Das Helium hilft dabei die Moleküle zu transportieren und wird zusätzlich genutzt um sie zu kühlen. Die großen Pumpen sorgen für Hochvakuum (Druck zwischen10-6 und 10-10 mbar) um zu sichern, dass die Elektronen wirklich vor allem an den kontrollierten Molekülen streuen und nicht am Hintergrundgas. Der Molekülstrahl führt dann durch kleine Löcher bis in die letzte Kammer. Dort treffen der Laser und der Elektronenstrahl auf die Moleküle und der Film kann entstehen.

Zusammenfassung

In diesem Forschungsprojekt dient der Laser als Regisseur, der die Moleküle, die Schauspieler in unserem Film, kontrolliert. Mit den gepulsten Elektronenstrahlen als Kamera möchten wir in Zukunft so genannte Molekülfilme aufnehmen, um Strukturveränderungen der Moleküle verfolgen zu können. Daraus kann man beispielsweise lernen, wie Medikamente wirkungsvoller und gezielter hergestellt werden können oder auch wie die molekularen Prozesse in unserer Atmosphäre oder im menschlichen Körper genau ablaufen.

Die Autorin

Nele Müller hat in Heidelberg Physik studiert und ist nun Doktorandin in der Arbeitsgruppe "Controlled Molecule Imaging" am Center for Free-Electron Laser Science, DESY in Hamburg und Stipendiatin der Joachim Herz Stiftung. Das Thema ihrer Doktorarbeit ist die Beugung von Elektronenwellen an kontrollierten Molekülen.  In den letzten Wochen hat Nele Müller sich im Rahmen ihrer Forschung hauptsächlich mit der richtigen Einstellung und Charakterisierung der Elektronenkanone beschäftigt.

Weitere Informationen zum Projekt: http://desy.cfel.de/cid/cmi/

Quellen

Trippel et al., Mol. Phys. 111, Nos. 12-13, 1738-1743 (2013)
Miller et. al., Acta Cryst. A 66, 137-156 (2010)
Dian et al., Science 320, 5878 (2008)
Melnik and Miller, Science 320, 881 (2008)
Williamson et al., Nature 386, 6621 (1997)
Siwick et. al., Science 302, 1382 (2003)
Hensley et al., PRL 109, 133202 (2012)
http://de.wikipedia.org/wiki/Resveratrol
Zaki et al., Journal of Natural Products 76, 679 (2013)

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