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    Lasertest in einem russischen Forschungsinstitut

    Neue Erkenntnisse russischer Forscher zur Energieübertragung bei Röntgenstrahlen

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    Ein internationales Forscherteam unter Teilnahme des Zentrums für Nanotechnologien, Spektroskopie und Quantenchemie der Sibirischen Föderalen Universität hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem die Struktur eines Stoffes mit Hilfe von Röntgenstrahlen ermittelt werden kann.

    Die Methode basiert auf den Energieaustausch zwischen zwei Atomen. Dieses Verfahren kann zu einem wichtigen Instrument zur Erforschung der Struktur einer ganzen Reihe schwerer Molekularsysteme werden. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts, das mit der Unterstützung des Russischen Wissenschaftsfonds durchgeführt wurde, wurden im Journal of Chemical Physics Letters veröffentlicht.

    Die neue Methode basiert auf der Energieübertragung zwischen zwei Atomen. Ihre Kerne, die aus Protonen und Neutronen bestehen, sind von Elektronen umgeben. Letztere befinden sich auf verschiedenen Energieebenen. Die „Entfernung“ zwischen den Ebenen gleicht der Energie des Lichtquants. Das Licht wird (beim Übergang von der höheren Ebene auf die untere) ausgeschieden oder (beim Übergang von der unteren auf die höhere) beim Springen eines Elektrons zwischen den Ebenen absorbiert.

    Wenn das von einer Röntgenquelle emittierte Photon mit einem Elektron im Atom zusammenstößt und ihm ausreichend Energie übergibt, so kann das Elektron aus dem Atom austreten. Dieser Prozess heißt direkte Photoionisation.

    Die neue Methode basiert darauf, dass zwei Atome daran teilnehmen müssen: Ein Donator und ein Akzeptor. Zunächst übergibt das Röntgenphoton „beim Zusammenstoß“ Energie an das Elektron, das sich auf der niedrigsten Ebene des Atom-Donators befindet. Das Elektron tritt aus dem Atom aus und befreit die Stelle, die von einem anderen Elektron des Atom-Donators eingenommen wird, indem es von der höheren Ebene springt und dabei ein Photon emittiert. Letzteres wird vom Atom-Akzeptor absorbiert, weswegen sein Elektron, das sich auf der unteren Ebene befindet, austritt.

    „Die Atome des Akzeptors und Donators befinden sich in einer bestimmten Entfernung zueinander. Die positive Ladung des ionisierten Atoms des Donators ändert die Energie des Austritts des Elektrons aus dem Atom-Akzeptor. Das Wissen über diese Größe ermöglicht es, den Typ des Atom-Akzeptors und die Entfernung zwischen den Atomen festzustellen. Mit dieser Information kann die gesamte Struktur des untersuchten Stoffs ermittelt werden,“ sagt Faris Gelmuchanow, Doktor der Naturwissenschaften (Mathematik und Physik) und Hauptverfasser der Arbeit.

    Im optischen Bereich und bei der Erhöhung der Entfernung sinkt in der Regel schnell die Geschwindigkeit der Energieübertragung zwischen dem Donator und Akzeptor auf sehr kleine Entfernungen (von beispielsweise mehreren Nanometern). So können die Atome, die weit voneinander entfernt liegen, keine Energie austauschen. Diese Energieübertragung heißt Resonanzenergietransfer und ist entscheidend für den Energieaustausch in einer Reihe von wichtigen Systemen, zum Beispiel bei der Photosynthese.

    Und im Bereich der harten Röntgenstrahlung mit dem die Wissenschaftler bei der Schaffung der neuen Methode gearbeitet haben, ist die Energieübertragung, wie es sich herausgestellt hat, über sehr große Entfernungen möglich. Das heißt, dass der Energieaustausch nicht nur zwischen benachbarten Atomen sondern auch zwischen den entfernten Nachbarn erfolgen kann.

    „Wir haben ein neues theoretisches Modell der Energieübertragung entwickelt, das chemische Verschiebungen der Übertragungen, die in der Röntgenstrahlung beobachtet werden, je nach Position der Atom-Donatoren- und —Akzeptoren beschreibt. Im Rahmen dieses Modells erfolgt die Energieübertragung durch den Austausch von Photonen, mit dem aus dem Experiment eine Struktur von vielfältigen Stoffen — darunter Biomolekülen, die schwere Atom-Donatoren, wie Eisen oder Schwefel, enthalten — ermittelt werden kann. Dabei können die Ergebnisse unserer theoretischen Forschungen effektiv entwickelt werden, indem man einen Laser auf freien Elektronen (XFEL) einsetzt," erklärt Experte Sergej Poljutow.

    Das Signal, das von der Energieübertragung zwischen den Ebenen im Atom ausgelöst wurde, ist sehr schwach. Jedoch kann es bei intensiven und kurzen Röntgenimpulsen auf Grundlage von XFEL verstärkt werden. Diese Technologie verschafft die einzigartige Möglichkeit, nicht einfach die „erstarrende“ Struktur des Stoffes zu beschreiben (das wird mit Hilfe der Kristallisation der „lebendigen“ biologischen Struktur gemacht), sondern auch die Dynamik der Bewegung der Atome in Echtzeit zu verfolgen.

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    Tags:
    Entdeckung, Strahlung, Röntgen, Übertragung, Energie, Forscher, Russland