Diamanten sind auch des Forschers bester Freund

Foto: Diamant

Als Linsen verwendeten die Forscher winzige Ringstrukturen aus Diamant – dem Material, das am besten dem Röntgenlaserlicht standhält. Mit solch intensiver Strahlung erhoffen sich Röntgenphysiker und Biologen unter anderem, die atomare Zusammensetzung und Funktionsweise komplexer Biomoleküle zu entschlüsseln, und so die Grundlage für neue Medikamente zu schaffen.

An verschiedenen Orten weltweit entstehen Röntgenlaser – Röntgenlichtquellen einer neuen Generation, die auf dem Prinzip des Freie-Elektronen-Lasers beruhen. Seit 2010 liefert der amerikanische Röntgenlaser LCLS in Stanford, erste Laserpulse im harten Röntgenbereich, seit Juni 2011 auch die Anlage SACLA im japanischen Hyogo. Am PSI soll 2016 mit dem SwissFEL eine vergleichbare Forschungsanlage in Betrieb gehen. Die Röntgenstrahlung wird in extrem kurzen Lichtblitzen ausgesandt, die nur rund 100 Femto-Sekunden (= 0,0000000000001 Sekunden) dauern und deren Helligkeit die der heute verfügbaren Röntgenquellen um das Milliardenfache übertrifft.

Diese einmalige Kennzahl ermöglicht Forschern eine Vielzahl von neuen wissenschaftlichen Experimenten in den verschiedensten Disziplinen. Die Beobachtung von Materie unter solch extremer Bestrahlung schafft Erkenntnisse in der Materialforschung. Durch die sehr kurze Pulsdauer kann der Ablauf sehr schneller chemischer Reaktionen verfolgt werden und so zum besseren Verständnis der Katalyse beitragen, die in der chemischen Industrie eine zentrale Rolle spielen.

Die höchsten Erwartungen ruhen jedoch auf der Möglichkeit, den genauen Aufbau komplexer Biomoleküle, zu entschlüsseln, die für viele Lebensprozesse verantwortlich sind. Mit heutigen Verfahren ist das nur möglich, wenn man die Moleküle in der regelmäßigen Struktur eines Kristalls anordnen kann, der mindestens einige Tausendstel Millimeter groß sein muss. Für viele interessante Moleküle kann man aber nur Nanokristalle erzeugen, die sehr viel kleiner sind. Am SwissFEL wird man auch diese winzigen Kristalle untersuchen können. „Dieses Experiment stellt die Wissenschaftler vor große Herausforderungen“ erklärt Rafael Abela, einer der beiden Leiter des Projekts. „Da die Strahlung zu einer Zerstörung der Moleküle führt, muss die Abbildung mit einzelnen Pulsen geschehen – quasi mit einer Belichtungszeit, welche schneller ist als der Strahlenschaden. Dazu ist es erforderlich, die an sich schon äußerst hellen Röntgenpulse in einen kleinstmöglichen Fleck zu fokussieren, um die notwendige Strahlungsdichte zu erreichen.“

COMPAMED.de; Quelle: Paul Scherrer Institut