Kristalle und Röntgenstrahlen. Nur ein Jahrhundert nach den ersten Studien der Strukturkristallographie hat sich der Grad der Komplexität, die wir untersuchen können, um ein Vielfaches erhöht. Aber das ist nur der Anfang. Die neuen Synchrotronstrahlungs- und Freie-Elektronen-Laser-Einrichtungen, zusammen mit den neuen kristallographischen Methoden und den immer leistungsfähigeren Computern, wo sie eingesetzt werden können, sagen ein beschleunigtes Wachstum der Studienbereiche voraus, die kristallographisches Wissen nutzen.
Synchrotrons sind Teilchenbeschleuniger, die in der Lage sind, einen Röntgenstrahl zu erzeugen, der um verschiedene Größenordnungen intensiver ist als herkömmliche Laborgeräte.
Kristalle und Röntgenstrahlen
Diese Röntgenstrahlen ermöglichen Experimente, die bisher nicht durchführbar waren, z. B. solche, die aufgrund der Beschaffenheit des Kristalls oder des untersuchten Prozesses sehr geringe Beugungsintensitäten erzeugen. 1972 wurde das erste dedizierte Synchrotron in Stanford, USA, in Betrieb genommen (erste Generation), und von dort aus wurden sie ständig weiterentwickelt, bis hin zu den modernsten Synchrotrons der dritten Generation, wie der European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble, Frankreich) oder dem spanischen Synchrotron ALBA in Barcelona.
Synchrotronlichtanlagen sind die Kathedralen der Kristallographie, die großen Laboratorien, in die Kristallographen pilgern, um die intime Struktur und das Verhalten der Materie zu enträtseln und zu entdecken, wie das Leben funktioniert.
Um zu untersuchen, wie die molekulare Maschinerie des Lebens funktioniert, ist es notwendig, immer komplexere und detailliertere Moleküle zu untersuchen.
Einige Probleme, die in der Materialwissenschaft oder in der Nanotechnologie von großem Interesse sind, sind sehr schwierig zu untersuchen, weil das Beugungssignal, das sie erzeugen, von sehr geringer Intensität ist. Synchrotronstrahlungsquellen machen es möglich, diese Probleme anzugehen. Ein typisches Beispiel ist die Untersuchung von magnetischen Materialien und Interphasen. Die Abbildung zeigt die kristallinen und magnetischen Strukturen der Interphase zwischen einem Supraleiter und einem ferromagnetischen Material.
Kostenloser Eletron-Laser
Die Zukunft der Röntgenbeugung liegt in den neuen Quellen für Röntgenstrahlung aus Freie-Elektronen-Lasern (XFEL, X-Ray Free Electron Laser). Diese neue Röntgenstrahlungsquelle ist um mehrere Größenordnungen intensiver als die letzte Generation von Synchrotrons und ermöglicht den Einsatz von nanometrischen Kristallen und Belichtungszeiten von nur wenigen Femtosekunden (ein Viertel einer Millionstel Sekunde), wodurch Strukturinformationen in extrem kurzer Zeit und mit extrem kleinen Kristallen gewonnen werden können. In der Tat umgeht diese neue Strahlungsquelle in gewisser Weise das Hauptproblem der Kristallisation.
Freie Elektronenlaser erzeugen ultrakurze Strahlungspulse von außergewöhnlich hoher Intensität, was die Möglichkeit eröffnet, extrem schnelle chemische und biologische Prozesse zu untersuchen. So lässt sich zum Beispiel bereits untersuchen, wie Elektronen zwischen den Bruchstücken eines explodierenden Moleküls springen.
Karte der Intensitäten aus zweihunderttausend Beugungsmustern des Enzyms Cathepsin B aus dem Parasiten Trypanosoma brucei, erhalten mit einem Freie-Elektronen-Laser.
Strukturinformationen, die aus dieser Karte abgeleitet werden
Das wirklich Revolutionäre an dieser neuen Technik ist aber, dass solch außerordentlich kurze Belichtungszeiten es ermöglichen, dynamische Informationen über das Geschehen im Inneren eines Moleküls oder eines biologischen Makromoleküls zu erhalten. Die Zukunft könnte nicht spannender sein. Wir werden nicht nur etwas über die Struktur der Materie lernen, sondern auch in Echtzeit sehen, wie sich Atome bewegen, wie Reaktionen ablaufen, wie Leben funktioniert.
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