von DIRK EIDEMÜLLER
Wenn energiereiche Strahlung auf Moleküle trifft, kann viel geschehen. Ultraviolette Strahlung bringt beispielsweise bestimmte Stoffe zur Fluoreszenz. Röntgenstrahlen durchleuchten Objekte oder den menschlichen Körper. Beide Arten der Strahlung brechen zudem molekulare Bindungen auf. Deshalb können sie auch zur Mutation von Genen und zum Zelltod führen.
Bislang sind diese Prozesse nur grob verstanden. Sowohl der zeitliche Ablauf als auch die innere Dynamik lassen sich bloß bei einfachen Molekülen gut beschreiben. Nun ist es einem französisch-deutschen Forschungsteam um Oksana Travnikova von der Pariser Sorbonne gelungen, die Dissoziation eines Moleküls mit schweren Atomen aufzuschlüsseln. „Jetzt können wir atomare Bewegungen während der blitzschnellen, hochangeregten Zwischenzustände studieren, die direkt vor dem Aufbrechen der Bindungen stattfinden“, freut sich Travnikova.
Bislang war die gängige Meinung, dass bei der molekularen Dissoziation entweder die Bindungen so lange gedehnt werden, bis sie reißen. Oder dass es einen instabilen Übergangszustand gibt, der dann zum Bruch führt. „Solche Modelle funktionieren zwar in vielen Fällen gut, vor allem mit Ultraviolettstrahlung, bei der meist nur die äußeren Elektronen angeregt werden“, sagt die Forscherin. „Aber bei Molekülen aus schweren Atomen und insbesondere bei der Anregung mit Röntgenstrahlung, die auch tiefer liegende Elektronen in den inneren Schalen anstoßen können, ist die Situation deutlich komplexer.“
Untersucht wurde Molekül Bromchlormethan, bei dem ein schweres Brom- und ein Chlor-Atom über eine leichte Alkylen-Brücke (CH2) miteinander verbunden sind. Dieses Molekül beschoss das Team am Berliner Synchrotron BESSY II mit schwacher Röntgenstrahlung. Dann wurde die Dissoziation mit einem Reaktionsmikroskop untersucht. Diese Apparatur haben Frankfurter Forscher um Reinhard Dörner entwickelt. Sie macht atomare Vorgänge mit geschickt gewählten elektromagnetischen Feldern sichtbar. Wie sich zeigte, blieben das Brom- und das Chlor-Atom zunächst fast unbewegt, während die dazwischen liegende CH2-Brücke sehr schnell zerstört wurde. Erst danach trennten sich auch die schweren Atome. Modellrechnungen zufolge haben diesen katapultartigen Vorgang Schwingungsvorgänge von nur rund sieben Femtosekunden (10-15) Dauer bewirkt. Dafür entwickelte das Team eigens eine neue Analysemethode namens IPA (Ion Pair Average). Interessanterweise zeigte sich eine solche Dynamik nur bei bestimmten Röntgenenergien.
„Wenn mich Chemiker fragen, ob solche Dissoziationen innerhalb von Femtosekunden geschehen können, sagen die meisten Kollegen, dass dies so schnell nicht geht“, meint Travnikova. „Doch auch komplexe Moleküle brechen schnell auseinander, wenn sie mit den passenden Röntgenstrahlen beschossen werden.“ Die Wissenschaftlerin will nun untersuchen, ob diese Dynamik bei Röntgenstrahlen höherer Energie erhalten bleibt. Das soll helfen, die Entstehung von Strahlenschäden durch Röntgen- und Gammastrahlung besser zu verstehen. ■
