Chemische Veränderungen Atom für Atom beobachtet

Forschende haben die Energieumverteilung eines Moleküls nach Lichtabsorption entschlüsselt. Mithilfe von Röntgenblitzen am European XFEL unterschieden sie die Rollen einzelner Atome in Echtzeit. Die Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Atome desselben Moleküls völlig unterschiedliche Aspekte des Prozesses widerspiegeln. Zudem erhöht die Lichtanregung die Empfindlichkeit eines Atoms für die Bewegung seiner Nachbarn. Diese Methode vertieft unser Verständnis von DNA-Lichtempfindlichkeit und Energieflüssen in Photomaterialien.

Untersuchungsobjekt und molekulare Mechanismen

Das Team untersuchte 3-Fluorpyridin, ein kleines, ringförmiges Molekül. Ein UV-Laserpuls versetzt das Molekül in einen elektronisch angeregten Zustand. Daraufhin verformt es sich schnell aus seiner planaren Ausgangsform heraus. Es durchläuft einen konischen Kreuzungspunkt mit stark gekoppelter Elektronen- und Kernbewegung. Anschließend kehrt das System in den Grundzustand zurück. Hierbei wandelt sich die elektronische Energie in Schwingungen um.

Diese Umwandlung hinterlässt an verschiedenen atomaren Positionen eindeutige Spuren. Das Fluoratom fungiert dabei als präziser Marker für die Schwingungsrelaxation. Dagegen zeigt das Stickstoffatom eine verflochtene Reaktion aus Elektronenumverteilung und struktureller Bewegung. „Wir können nun erkennen, dass nicht jede Atomposition in den Signalen, die wir aus unseren Röntgenimpulsen erfassen, dieselbe Geschichte erzählt“, sagt Antonio Picón vom Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. „Einige Atome zeigen an, wohin die Ladung wandert, während andere offenbaren, wie das gesamte Molekül schwingt.“

Analytik mittels zeitaufgelöster Photoelektronenspektroskopie

Zur Beobachtung nutzte das Team zeitaufgelöste Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (tr-XPS) an der SQS-Experimentierstation des European XFEL. Ein ultravioletter Laserpuls regte die Moleküle zunächst an. Ein präzise verzögerter, weicher Röntgenpuls ionisierte die Moleküle anschließend. Dabei wurden Rumpfelektronen entweder aus den Stickstoff- oder den Fluoratomen herausgelöst. Durch Messung der emittierten Elektronenenergien rekonstruierten die Wissenschaftler die lokale chemische Umgebung. Dies geschah über ein Zeitfenster von wenigen Pikosekunden. Fortschrittliche Simulationen und Modelle halfen bei der Interpretation dieser komplexen Daten.

Neue Perspektiven für die Photochemie

Die Arbeit bestätigt das Potenzial ultrakurzer Röntgenpulse zur Entflechtung schnellster gekoppelter Kern- und Elektronenbewegungen. Der gewählte Ansatz ist universell auf komplexe Systeme übertragbar. Dazu zählen organische Funktionsmoleküle, biomolekulare Bausteine und neue Energiematerialien. „Genau dafür wurde der European XFEL gebaut: um chemische Veränderungen dort zu beobachten, wo sie beginnen – an bestimmten atomaren Stellen und auf ihrer natürlichen Zeitskala“, sagt Daniel Rivas. „Durch die Kombination von Sensitivität für mehrere Atom-Positionen mit einer Auflösung im Bereich von Femtosekunden öffnen wir ein neues Fenster zu den mikroskopischen Mechanismen, die der Photochemie zugrunde liegen.“

Quelle

European XFEL GmbH (07/2026)