Eine internationale Gruppe von Forschern hat mithilfe eines kurzen Blitzes aus Röntgenstrahlen erstmals ein Bild eines nichtperiodischen mikroskopischen Musters erzeugt. Dies gelang durch den Einsatz eines Röntgenlasers der Forschungsgesellschaft DESY in Hamburg. Die Wissenschaftler glauben, innerhalb weniger Jahre schon mit einer verbesserten Version des Lasers einzelne Zellen und sogar Makromoleküle oder Viren abbilden zu können.
Röntgenstrahlen werden schon seit mehr als einhundert Jahren routinemäßig zur Untersuchung des atomaren Aufbaus von Kristallen eingesetzt. In einem derartigen Experiment werden die Strahlen an den Gitterebenen des Kristalls gestreut, und aus dem aufgefangenen Beugungsmuster lässt sich dann dessen räumliche Struktur berechnen.
Leider funktioniert dieses Verfahren nur mit Körpern, die einen regelmäßigen atomaren Aufbau aufweisen, wie etwa Kristalle. Einzelne Moleküle lassen sich dagegen nicht untersuchen, so dass Biologen diese gewöhnlich auskristallisieren müssen. Dies ist allerdings mit den meisten Membranproteinen nicht möglich, ebenso wenig wie mit Viren.
Der in Stanford und Uppsala beschäftige Physiker Janos Hajdu hat schon vor mehreren Jahren vorausgesagt, dass ein nur winzigste Sekundenbruchteile kurzer Röntgenblitz ein Bild eines nur wenige Nanometer kleinen Objekts erzeugen kann, selbst wenn dieses nicht periodisch aufgebaut ist. Dazu müssen die Röntgenstrahlen allerdings kohärent sein, da eine feste Phasenbeziehung zwischen den von der Struktur gestreuten Strahlen entscheidend ist.
Derartige Strahlen lassen sich nun mit dem auf den Namen Flash getauften Röntgenlaser in Hamburg erzielen. In ihrem Experiment schossen die Forscher einen nur wenige Femtosekunden kurzen Röntgenblitz einer mittleren Wellenlänge von 32 Nanometern auf einen mit kleinen Mustern versehenen Halbleiterfilm. Mittels eines von Hajdu und seinen Kollegen entwickelten Computerprogramms ließ sich dieses Muster dann tatsächlich aus dem aufgefangenen Streubild der Röntgenstrahlen berechnen.
Aufgrund der für Röntgenstrahlen relativ langen Wellenlänge von 32 Nanometern ist die im Experiment erzielte Auflösung von 62 Nanometern zu grob, um einzelne Moleküle oder Viren abzubilden. Schon in den nächsten Jahren wird allerdings sowohl in den Vereinigten Staaten als auch Europa eine neue Generation von Röntgenlasern in Betrieb gehen, die Pulse mit Wellenlängen von nur wenigen Nanometern erzeugen können. Die Forscher sind sich sicher, dass ihr Prinzip dann schon bald zur Untersuchung biologischer Objekte eingesetzt werden kann.
Nature Physics, Online-Vorabveröffentlichung, DOI:10.1038/nphys461 Stefan Maier
