Kristallographie für unförmige Kristalle
Fortschrittliche Algorithmen und ein außergewöhnlicher Röntgenlaser können die Strukturen von nicht ganz so perfekten Materialien aufgedecken
Francis Crick, der die Form der DNA mitentdeckte, sagte einmal: "Wenn du die Funktion verstehen willst, studiere die Struktur." Viele Jahrzehnte später ist dies immer noch ein Grundsatz in der Biologie, Chemie und Materialwissenschaft.
Eine Illustration des Flüssigkeitsstrahls, der Probenpartikel und des Strahls des Beschleunigers, der die Beugungsdaten in einem Prozess erfasst, der nur wenige Femtosekunden dauert - das ist ein Billiardstel einer Sekunde oder ein Millionstel einer Milliardstelsekunde.
Ella Maru Studio
Ein entscheidender Durchbruch bei der Suche nach der Struktur der DNA gelang mit der Röntgenkristallographie, einer Technik, die die Dichte der Elektronen in einem Molekül anhand der Beugung der Röntgenstrahlen in den Zwischenräumen zwischen den Atomen der Probe kartiert. Aus den durch die Kristallographie erzeugten Beugungsmustern lässt sich dann die Gesamtstruktur des Moleküls ableiten. Dank stetiger Fortschritte im Laufe der Jahrzehnte ist die Röntgenkristallographie heute exponentiell leistungsfähiger als zu Cricks Zeiten und kann sogar die Position einzelner Atome aufdecken.
Doch das Verfahren ist nicht einfach. Wie der Name schon sagt, benötigt man Kristalle - genauer gesagt, gereinigte Proben des Moleküls, das einen interessiert, die in eine Kristallform gebracht werden. Und nicht alle Moleküle bilden bildtaugliche Kristalle.
"Die Röntgenkristallographie ist am einfachsten, wenn das Material in einem großen Einkristall gezüchtet werden kann", sagt Nicholas Sauter, leitender Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) in der Abteilung Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB). "Die meisten Substanzen bilden jedoch stattdessen Pulver, die aus kleinen Körnchen bestehen, deren Röntgenbeugungsmuster schwieriger zu entschlüsseln sind."
Sauter ist Co-Leiter eines Teams, das daran arbeitet, Wissenschaftlern eine bessere Möglichkeit zu bieten, die Strukturen der vielen Materialien zu untersuchen, die keine ordentlichen Einkristalle bilden, wie z. B. Solarabsorber und metallorganische Gerüste: zwei vielfältige Materialgruppen mit großem Potenzial für die Bekämpfung des Klimawandels und die Erzeugung erneuerbarer Energie.
Ihre neue Technik, die so genannte serielle Femtosekunden-Röntgenkristallographie für kleine Moleküle (smSFX), erweitert die herkömmliche Kristallographie um maßgeschneiderte Bildverarbeitungsalgorithmen und einen Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL). Der XFEL, der aus einer Fusion von Teilchenbeschleunigern und laserbasierter Physik entstanden ist, kann Röntgenstrahlen aussenden, die viel leistungsfähiger, fokussierter und schneller sind als andere Röntgenquellen für die Kristallographie. Der gesamte Prozess, vom Röntgenpuls bis zum Beugungsbild, ist in wenigen Billiardstel Sekunden abgeschlossen.
"Es ist die Beugung vor der Zerstörung", sagt Daniel Paley, ein Wissenschaftler des MBIB-Projekts und Autor des neuen Artikels des Teams, der in Nature veröffentlicht wurde. "Die Idee ist, dass der Kristall sofort explodiert, wenn er von diesem Photonenstrahl getroffen wird, aber mit einem Femtosekundenpuls sammelt man alle Beugungsdaten, bevor der Schaden auftritt. Das ist wirklich cool."
Paley und der Co-Leiter Aaron Brewster, ein Forscher am MBIB, entwickelten die Algorithmen, die für die Umwandlung der XFEL-Daten in qualitativ hochwertige Beugungsmuster erforderlich sind, die analysiert werden können, um die Einheitszelle - die Grundeinheit eines Kristalls, die sich immer wieder in drei Dimensionen wiederholt - jedes winzigen Kristallkorns in der Probe zu erkennen.
Wenn man ein echtes Pulver hat, so Paley, ist das so, als hätte man eine Million Kristalle, die alle durcheinandergewürfelt, voller Unvollkommenheiten und in jeder möglichen Ausrichtung durcheinandergewürfelt sind. Anstatt das ganze Durcheinander zu beugen und ein verworrenes Bild der Elektronendichte zu erhalten, wie es bei den bestehenden Pulverbeugungstechniken der Fall ist, ist smSFX so präzise, dass es einzelne Körnchen beugen kann, eines nach dem anderen. "Das verleiht ihm einen besonderen Schärfeeffekt", sagte er. "Das ist sozusagen die geheime Soße dieser ganzen Methode. Normalerweise schießt man alle Millionen auf einmal, aber jetzt schießt man 10.000 Stück nacheinander."
Das Tüpfelchen auf dem i ist, dass smSFX durchgeführt werden kann, ohne die Probe einzufrieren oder einem Vakuum auszusetzen - ein weiterer Vorteil für die empfindlichen Materialien, die von Materialwissenschaftlern untersucht werden. "Man braucht keine ausgefallene Vakuumkammer", sagt Sauter.
In der neuen Studie hat das Team den Grundsatzbeweis für smSFX erbracht und ist dann einen Schritt weiter gegangen. Sie berichteten über die bisher unbekannten Strukturen von zwei metallorganischen Materialien, die als Chacogenolate bekannt sind. Nathan Hohman, Chemiker und Physiker an der University of Connecticut und dritter Co-Leiter des Projekts, untersucht Chacogenolate wegen ihrer halbleitenden und lichtinteraktiven Eigenschaften, die sie ideal für Transistoren der nächsten Generation, Photovoltaik (Solarzellen und -paneele), Energiespeicher und Sensoren machen könnten.
"Jede einzelne von ihnen ist eine besondere Schneeflocke - sie zu züchten ist wirklich schwierig", sagt Hohman. Mit smSFX konnten er und die Doktorandin Elyse Schriber erfolgreich Pulverchakogenolate beugen und die Strukturen untersuchen, um herauszufinden, warum einige der auf Silber basierenden Materialien unter UV-Licht hellblau leuchten - ein Phänomen, das die Wissenschaftler liebevoll mit Frodos Schwert in Der Herr der Ringe vergleichen.
"Es gibt eine Vielzahl faszinierender physikalischer und sogar chemischer Dynamiken, die auf ultraschnellen Zeitskalen ablaufen, und unser Experiment könnte dazu beitragen, die Punkte zwischen der Struktur eines Materials und seiner Funktion zu verbinden", sagte Schriber, ein Mitarbeiter des Berkeley Lab und Forscher in Hohmans Labor. "Nach weiteren Verbesserungen zur Rationalisierung des smSFX-Prozesses können wir uns Programme vorstellen, die diese Technik anderen Forschern zur Verfügung stellen. Solche Programme sind wichtig, um den Zugang zu Lichtquellen zu verbessern, insbesondere für kleinere Universitäten und Hochschulen."
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