Röntgenlaser zeigt wie Elektronen durch ein Molekül reisen
Übergang von Licht in chemische Energie mit submolekularer Auflösung beobachtet
Ein internationales Team, darunter Wissenschaftler von European XFEL, hat einen Prozess im Inneren eines Moleküls beobachtet, der Aufschluss darüber geben könnte, wie die Energie der Sonne besser genutzt werden könnte. Seit vielen Jahren arbeiten Forscher an Methoden, mit denen sich Sonnenenergie ähnlich den Vorgängen in der Zelle bei der Photosynthese in chemische Energie umwandeln lässt, die über eine längere Zeit gespeichert werden kann. Dazu untersuchen sie die Details dieser Umwandlung in Modellverbindungen in der Hoffnung, dass einige hiervon eines Tages genutzt werden könnten, um Solarenergie im industriellen Maßstab in chemische Energie umzuwandeln. Solche Untersuchungen erfordern es jedoch, während der entscheidenden Schritte für den Energietransfer tief ins Innere des reagierenden Moleküls zu schauen. Die jetzt im Journal Nature Communications veröffentlichtem Ergebnisse zeigen bisher unbekannte Details des Transports eines Elektrons entlang eines Moleküls.
Die Wissenschaftler regen mit Hilfe eines optischen Lasers ein Elektron am Ruthenium-Atom (links) an, das sich dann über das Molekül zum Kobalt-Atom (rechts) bewegt. Die Lichtblitze des Röntgenlasers zeigen Etappen dieser Reise.
Technical University of Denmark und Unversität Lund
European XFEL-Wissenschaftler Christian Bressler und seine Arbeitsgruppe, die für den European XFEL das Femtosecond X-Ray Experiments Instrument (FXE) entwickelt, hatten vorgeschlagen, die von einem angeregten Molekül ausgesandte Röntgenstrahlung – das sogenannte Röntgenemissionsspektrum – mit einem Röntgenlaser zu untersuchen. Röntgenlaser wie der künftige European XFEL sind neuartige Röntgenlichtquellen, die ultrakurze und extrem leuchtstarke Röntgenlichtblitze aussenden können. Mit diesen Blitzen lässt sich auch die Aktivität der Elektronen tief im Inneren des Moleküls nahe den Atomen mit kürzester Belichtungszeit und damit bestmöglicher Zeitauflösung beobachten. Bisherige Methoden mit ultraschnellen optischen Lasern, die im sichtbaren Bereich des Lichts arbeiten, sind auf die äußeren Elektronen beschränkt und geben damit wenig Aufschluss über den aktuellen Aufenthaltsort eines reisenden Elektrons. Mit den ultrakurzen Röntgenlaserpulsen können die Forscher nun den Weg eines Elektrons detailliert verfolgen und so Vorgänge entschlüsseln, die schneller als in einer billiardstel Sekunde ablaufen. Das schließt auch den Energietransfer ein, so dass Rückschlüsse auf die Effizienz des Vorgangs möglich sind.
„Die sich abzeichnenden Möglichkeiten an Röntgenlasern ermöglichen neue Einblicke in den Ablauf von Reaktionen, so dass wir immer besser verstehen, wie schnell sich angeregte Elektronen im Molekül bewegen oder wie sich dessen interne Struktur verändert,“ erklärt Villy Sundström, Professor für chemische Physik an der Universität Lund in Schweden und einer der Autoren der Veröffentlichung.
Für die Messungen war das Team zum SACLA-Röntgenlaser nach Harima in Japan gereist, derzeit noch einer von nur zwei Röntgenlasern weltweit, die kurzwelliges, hartes Röntgenlicht erzeugen. Sie benutzten ein Molekül das zwei verschiedene Metallatome enthält: Das erste, Ruthenium, „erntet“ die Lichtenergie und schickt sogleich ein Elektron auf den Weg durch das Molekül. Das zweite, Kobalt, ist das Ziel des Elektrons. Eine molekulare „Brücke“, von Chemikern als Ligand bezeichnet, ermöglicht dem Elektron den Übergang von einem Atom zum anderen. Als Ersatz für das Sonnenlicht nutzen die Forscher einen optischen Laser, um das Ruthenium-Zentrum anzuregen. Die kurzen Lichtblitze des SACLA-Röntgenlasers zeigten dann Etappen der Reise des Ruthenium-Elektrons über die Brücke hin zum Kobalt.
„Man kann beobachten, wie die Elektronen über eine Energieleiter hüpfen, vom Ruthenium über die Brücke zum Kobalt“, sagt Bressler, ebenfalls ein Autor der Publikation.
Das Experiment legt auch die Grundlage für weitere Untersuchungen an ähnlichen Verbindungen, die für die Erzeugung von Brennstoffen aus Sonnenlicht künftig nützlich sein könnten. Die entscheidenden neuen Erkenntnisse konzentrieren sich dabei auf die letzten Schritte bei der Ankunft des Elektrons am Kobaltatom.
„Wir haben dieses Molekül viele Jahre lang im Laserlabor untersucht“, sagt die Mit-Autorin Sophie Canton, die früher bei Sundstrom in Lund gearbeitet hat und heute übergreifend am DESY und dem Göttingen Research Campus – hier: Universität Göttingen und Max Planck Institut für Biophysikalische Chemie – tätig ist. „Aber wir konnten die Ankunft am Kobaltatom nicht nachweisen, weil es optisch dunkel ist. Auch die modernsten ultraschnellen optischen Methoden haben manchmal Grenzen, die wir aber mit Röntgenlicht nun überwinden können.“
Die neuen Perspektiven mit Röntgenlasern werden daher auch für künftige Nutzer des European XFEL interessant, die die elementaren Schritte molekularer Reaktionen verstehen möchten.
„Dass wir Details der Effizienz molekularer Systeme untersuchen können, eröffnet weite Perspektiven“, sagt Professor Martin Meedom Nielsen von der Technical University of Denmark (DTU) in Kongens Lyngby, ebenfalls Autor der Veröffentlichung. „Weitere Ziele der Forschung reichen von Katalysatoren für effizientere Photovoltaik-Zellen über biologisch relevante Systeme wie beispielsweise in der Photosynthese.“
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