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Diamanten sind auch des Forschers bester Freund
Archiv | 10.09.2011 | Bereits vor dem Bau des geplanten Röntgenlasers SwissFEL läuft am Paul Scherrer Institut die Entwicklung der Instrumentierung für diese extrem helle Lichtquelle an. Nun ist es einem vom PSI geleiteten Forscherteam gelungen, harte Röntgenlaserstrahlung 100'000 fach zu konzentrieren und so an einem Punkt Röntgenstrahlung zu erzeugen, die so intensiv war wie wohl nirgends zuvor. 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. Ihre Arbeit zu den Röntgenlinsen stellen die Forschenden in der Fachzeitschrift Scientific Reports der Nature Publishing Group vor.
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 SwissFEL-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.“
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