Ultraschnelle Strukturdynamik

Stickstoff- und Kohlenstoffverbindungen im interstellaren Staub verraten, wie Sterne entstehen. Diese Moleküle haben Weltraumforscher:innen mit hochauflösender Rotationsspektroskopie detektiert und dazu die Verhältnisse im All im Labor nachgestellt. Wie organische Reaktionen wie nukleophile Substitution auf Molekülebene ablaufen, lässt sich mit Molekularstrahlmethoden herausfinden. Streumethoden dienen dazu, Reaktionen auf Oberflächen auf atomarer Ebene zu erfassen. Zeitaufgelöste Beugungsmethoden mit ultrakurzen Elektronen oder Röntgenphotonen werden zunehmend auf chemische Fragen angewandt, um Strukturen transienter Zustände zu beobachten.

Ultraschnelle Strukturdynamik

Molekulare Dynamik in Echtzeit

Spätestens seit Eröffnung der ersten Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFELs) im harten Röntgenbereich vor etwa 15 Jahren sind zeitaufgelöste Experimente mit hoher atomarer Auflösung Ziel der Forschung in der physikalischen Chemie. Die Möglichkeit, molekulare Prozesse und transiente Strukturen auf der Femtosekunden-Zeitskala, also der Zeitskala von Bindungslängenänderungen oder -brüchen, zu beobachten, verspricht neue Erkenntnisse für Chemie, Materialwissenschaften und Biologie.

Generell basieren Strukturdynamikmethoden mit Echtzeitauflösung im Bereich von 100 Femtosekunden oder länger auf dem Pump-Probe-Prinzip (Anreg-Abtast-Prinzip, Abbildung 1). Hierbei wird ein molekularer Prozess mit einem ultrakurzen Laserpuls angeregt, und nach einer definierten Zeit wird die Änderung des molekularen Systems über einen Abtastpuls (Probe-Puls) untersucht. Dieser Probe-Puls kann ebenfalls ein optischer Laserpuls sein.

Solch ultraschnelle Laserspektroskopie führen Labore in unterschiedlichen technischen Varianten und an allen Probentypen (flüssig, fest, Gasphase) durch: Transiente Absorptionsspektroskopie im UV/Vis-Bereich adressiert elektronische Dynamik, ist aber nicht direkt struktursensitiv. Transiente IR-Spektroskopie ist struktursensitiv. Mehrdimensionale Varianten optischer Spektroskopie (2-D-IR, 2-D-ES) liefern detaillierte Information zum Beispiel über Energietransferprozesse.^1,2) An Großforschungsanlagen wie dem European XFEL kann zudem ultraschnelle Röntgenspektroskopie durchgeführt werden, die direkt struktursensitiv ist.^3,4)

Keine der genannten Methoden kann atomare Auflösung und transiente Strukturen direkt messen. Hierfür sind zeitaufgelöste Beugungsexperimente nötig. Diese können entweder mit ultrakurzen Röntgenpulsen wie an Freie-Elektronenlasern (XFELs) oder mit ultrakurzen Elektronenpulsen an Aufbauten im Labormaßstab durchgeführt werden.^5,6) Hierbei sind Röntgen- und Elektronenexperimente direkt komplementär, da in der Röntgenkristallographie die Elektronendichte und in der Elektronenkristallographie das Coulomb-Potenzial und damit die Kernposition beobachtet wird (Kasten).

INFO: Ultrakurze Elektronenpulse

Streuexperimente mit Zeitauflösung zwischen 100 und 200 fs benötigen ultrakurze Elektronenpulse, die in Laboraufbauten generiert werden können. Generell sind Experimente mit hoher Elektronenzahl (high brightness) pro Puls von Experimenten mit wenigen Elektronen pro Puls unterscheidbar. Erstere werden als Ultrafast Electron Diffraction (UED) bezeichnet,⁶⁾ letztere in Transmissionselektronenmikroskopen als Ultrafast Electron Transmission Microscopy (UTEM) durchgeführt.⁷⁾

UED-Aufbauten nutzen häufig Elektronenkanonen im keV-Bereich (95 keV oder 200 keV). Hierbei wird ein Femtosekunden-Laserpuls im UV auf eine Photokathode, zumeist Gold, fokussiert, und Photoelektronen mit zunächst identischem zeitlichem Profil entstehen (sub-100-fs). Da sich die Elektronen gegenseitig abstoßen (space charge effect),⁸⁾ kommt es zur zeitlichen Dispersion und einem Chirp (veränderte Energieverteilung in der Zeitdomäne) der Elektronenpulse, der durch Radiofrequenzkompression aufgehoben werden können. Somit lassen sich Pulse von 200 fs Pulslänge mit 10⁵ Elektronen pro Puls in nicht-relativistischen Elektronenkanonen erzeugen.

Elektronen werden zirka 10⁵ Mal stärker gestreut als Photonen, somit sind die Probenbedingungen für UED-Experimente anders als in Röntgenbeugungsexperimenten an XFELs (~10¹³ Photonen pro Puls): Als Proben dienen dünne Schichten von Einkristallen mit zirka 200 nm Dicke, um Mehrfachstreuung zu vermeiden. Aufgrund der gegenseitigen Abstoßung der Elektronen bei Pulsen mit hoher Helligkeit lassen sich die Elektronenpulse schlecht fokussieren. Zudem liegt die transversale Kohärenzlänge für ultrakurze, hochintensive Elektronenpulse nur im Bereich einiger Nanometer. Damit ist die Anwendung von UED auf kristalline Proben mit kleiner Einheitszelle beschränkt, da die transversale Kohärenzlänge ein Vielfaches der Einheitszellengröße sein muss. Deshalb eignet sich die UED dazu, molekulare Materialien zu untersuchen, aber nicht für Strukturbiologie.

Einige wenige Aufbauten weltweit nutzen relativistische Elektronen mit Energie im MeV-Bereich (zum Beispiel am Desy). Diese Elektronenpulse haben eine längere Kohärenzlänge und höhere Eindringtiefe in Materialien und eignen sich somit für Gasphasenexperimente und für größere Einheitszellen und werden dazu genutzt, chemische Dynamik zu untersuchen.^9–11)

Ultraschnelle Röntgenbeugung an molekularen Systemen

Röntgen-Freie-Elektronenlaser wie der European XFEL erzeugen Pulse im harten Röntgenbereich, die sich ab zirka 10 keV für Streuexperimente und somit zeitaufgelöste Kristallographie eignen. Die Pulslängen liegen im Bereich von 10 bis 100 fs bei insgesamt 10¹³ bis 10¹⁸ Photonen pro Sekunde, woraus sich ein Problem für die Probenpräparation ergibt: Die hohen Intensitäten schädigen die Probe, die daher vor dem nächsten Puls ausgetauscht werden muss. Daher werden an molekularen Systemen wie Katalysatoren oder Materialien bisher vor allem ultraschnelle Röntgenspektroskopie oder auch Kleinwinkel(SAXS)- und Weitwinkel(WAXS)-Röntgenstreuexperimente^3,12) ohne vollständig atomare Auflösung durchgeführt. Denn flüssige Proben können in Jets präpariert und somit der Strahlungsschaden in zeitaufgelösten Röntgenexperimenten limitiert werden.

Für strukturbiologische Experimente sind auch Flüssigkeitsjets und andere Methoden der Probenbereitstellung für kristallinen Proben entwickelt worden,¹³⁾ hier wird bereits zeitaufgelöste serielle Kristallographie (TR-SFX) an lichtempfindlichen Proben durchgeführt.^14–16) Ähnliche Experimente sind für molekulare Kristalle in der Vorbereitung. Photokristallographie,^5,17) etabliert an Synchrotrons mit einer Zeitauflösung oberhalb von 100 ps, wird sich auch auf XFELs mit Zeitauflösung auf der Femtosekundenzeitskala erweitern. Die ersten Beispiele chemischer Kristallographie an XFELs gab es in den Jahren 2022¹⁸⁾ und 2023¹⁹⁾ an Mithren und Rhodamin-6G. Ultraschnelle Röntgenkristallographie molekularer Prozesse an XFELs ist daher absehbar.

Ultraschnelle Elektronenbeugung an Spin-Crossover-Materialien

Ultraschnelle Elektronenbeugung (UED) hat in den letzten Jahren Beiträge zu zeitaufgelöster Dynamik an molekularen Materialien geleistet. Ein UED-Aufbau mit 95 kEV Elektronenergie und ~200 fs Pulslänge (Infokasten) eignet sich gut dazu, Strukturdynamik an Proben mit Einheitszellen von zwei bis drei Nanometern zu untersuchen. Die ersten Experimente mit hoher Zeit- und Ortsauflösung an Molekülen waren lichtgetriebene Ringöffnungsreaktionen und Phasenübergänge in molekularen Systemen.⁶⁾

Experimentell wird an einem dünnen Einkristall ein Pump-Probe-Versuch durchgeführt: Ein ultrakurzer Laserpuls regt den Prozess an, und die Strukturänderung mit einem Elektronenpuls beobachtet wird. Über die zeitliche Änderung des Differenz-Beugungsmusters sind dann Rückschlüsse auf die Strukturänderungen möglich (Abbildung 2).

Zu den fundamentalen lichtgetrieben Prozessen in Molekülen gehören Spin-Übergange (spin crossover SCO), die unter anderem in Energiematerialien oder für Speichermaterialien relevant sind. Die assoziierten Strukturänderungen in Modell-Systemen wie Fe^II(bpy)₃ wurden bereits mittels verschiedenster Methoden, wie ultraschneller optischer Spektroskopie, ultraschneller Röntgenspektroskopie und ultraschneller Elektronenbeugung (UED) untersucht^20–24.

Der Übergang vom Low-Spin-Zustand in den ^1,3MLCT-Zustand (metal to ligand charge transfer) lässt sich in Fe^II(bpy)₃ optisch anregen (Liesst, light-induced excited spin state trapping), nach einem Intersystem Crossing (ISC) wird ein High-Spin-Zustand erreicht. Optische Spektroskopie und Röntgenspektroskopie hatten für Fe^II(bpy)₃ die schnellsten Prozesse mit ~100 fs bestimmt,^22,25) wobei die Zeitkonstanten für die assoziierten nötigen Kernbewegungen unklar blieben.

Experimentell sind die Änderung der Länge der Fe-N-Bindung sowie die Bewegung der Liganden, also die transienten Strukturänderungen, nur mit Beugungsmethoden direkt zugänglich. Sowohl transiente Absorptionsspektroskopie im Sichtbaren als auch Röntgenabsorptionsspektroskopie (Röntgen-Nahkantenabsorption, Xanes) beobachten die Dynamik der Elektronen, die entsprechend dem Born-Oppenheimer-Prinzip schneller ist. UED-Experimente konnten die Zeitskalen der Kernbewegung auflösen, die aus der vorherigen Elektronendynamik beim Spinübergang folgt.^20,26)

Die zeitabhängige Änderung des Beugungsmusters (Abbildung 2) lässt sich für kristallines [Fe^II(bpy)₃](PF₆)₂ mit zwei Zeitkonstanten fitten (Abbildung 3). Die transienten Strukturänderungen wurden mit der bekannten Struktur des Grundzustandes (LS: Low-Spin) verglichen, die experimentell zugänglich ist. Zudem ist es in dieser Studie erstmals gelungen, Strukturinformationen für den kurzlebigen, angeregten Zustand (HS: High-Spin) auf Basis experimenteller Daten zu modellieren, der nicht wie bei anderen SCO-Systemen thermisch zugänglich und somit nicht separat auflösbar ist.

Der globale Fit aller Daten, die nachfolgende Analyse der zugehörigen Bragg-Peaks und Zuordnung zu unterschiedlichen Strukturänderungen entlang der Reaktionskoordinate (Abbildung 3) zeigt die Dynamik des SCO-Komplexes nach Spinübergang: Die Zeitkonstante von ~450 fs kann der Verlängerung der Fe-N-Bindung in Kombination mit einer Rotation der Liganden zugeordnet werden. Alle vier durch den Spin-Übergang induzierten atomaren Strukturänderungen sind räumlich und zeitlich korreliert. Die beobachtete Zeitkonstante für den ersten, schnellen Schritt der Strukturändern liegt am Limit der erreichbaren Zeitauflösung des Experiments und könnte somit noch (etwas) schneller sein.

Die langsame Komponente der Strukturdynamik mit 2,4 ps kann der molekularen Reorganisation der Liganden während der folgenden Schwingungsrelaxation durch IVR (intramolecular vibrational redistribution) zugeordnet werden, bei der die überschüssige Anregungsenergie im Molekül verteilt wird, bevor der stabile HS-Zustand erreicht ist. Die UED-Studie bestätigt somit die Interpretation des Xanes-Experiments am XFEL.²²⁾ Die ultraschnelle Strukturänderung im SCO-Komplex Fe^II(bpy)₃ ist eine Kombination von elektroneninduzierter Kernbewegung (schnelle Komponente nach dem ISC und folgender Abkühlung durch inkohärenten Energietransport mit IVR in die Liganden.

Bei einem verwandten SCO-System mit größeren Liganden Fe^II(PM-AzA)₂](NCS)₂ wurde mit UED nur eine einzige Zeitkonstante ermittelt, und zwar 2,3 ps.²⁶⁾ Hier liegen offenbar – bedingt durch das größere Reservoir verschiedener Moden der Liganden – bereits nach ISC eine breitere Verteilung der Fe-N-Bildungslängen und weitere Strukturänderungen vor. Die Strukturen ändern sich nur durch Schwingungsrelaxation.

Insgesamt zeigen die diskutierten UED-Experimente an SCO-Komplexen, wie Prozesse (hier ISC und IVR) Strukturen ändern können und dass unterschiedliche komplementäre, hochzeitaufgelöste und struktursensitive Experimente wie Röntgenspektroskopie, Elektronenbeugung und Röntgenbeugung Beiträge zum Verständnis molekularer Prozesse leisten.

Ausblick

Es werden voraussichtlich mehr molekulare Systeme mit dem gesamten Baukasten ultraschneller und strukturdynamischer Methoden untersucht werden und vollständig Zeit- und Ortsaufgelöste Informationen experimentell zugänglich werden – also nicht nur über Rechnungen. Für alle lichtgetriebenen, zeitaufgelösten Beugungsexperimente muss eine Probe zuvor mittels transienter Absorption im UV/Vis charakterisiert werden, idealerweise unter identischen Proben- und Anregungsbedingungen, die unter der Zerstörschwelle durch Femtosekunden-Laserpulse liegen.

Auch wenn ultraschnelle Experimente mit atomarer Auflösung, wie ultraschnelle Elektronenbeugung und zukünftig Photokristallographie an XFELs echte Molecular Movies zeigen, sind andere struktursensitive Methoden wie transiente IR- und 2D-IR-Spektroskopie und alle Varianten ultraschneller Röntgenspektroskopie ebenso wichtige und für viele Systeme, etwa flüssige Proben, bessere Methoden.

Neue Experimente, verbesserte Datenanalyse und Modellierung werden Strukturdynamik langfristig für viele chemische Fragen zugänglich machen.

Drei Fragen an die Autorin: Henrike Müller-Werkmeister

Welche Entdeckung der vergangenen Jahre hat Sie am meisten überrascht?

Die Entwicklung von Alphafold und die Folgen für die Stukturaufklärung von Proteinen. Mit solcher KI und Machine Learning sind extrem gute und detaillierte Vorhersagen möglich, viele Experimente sind schneller analysierbar oder nicht mehr nötig. Damit werden dynamische Untersuchungen an molekularen Strukturen einfacher und zugänglicher für viele verschiedene Proben anstelle von Modellsystemen.

Was würden Sie gerne herausfinden?

Wir beginnen, die Rolle von Wasser in biomolekularen Prozessen wie der Funktion von Proteinen oder bei intrazellulären Phasenänderungen mit strukturdynamischen Methoden zu untersuchen. Diese Arbeiten finden mit vielen Kollegen im Centre for Molecular Water Science (www.cmws-hamburg.de) statt. Ich möchte verstehen, wann Wasser beteiligt ist und nicht nur als Lösungsmittel vorliegt. Zudem arbeiten wir auf Multiskalenexperimente hin, um Dynamik auf der Femtosekundenskala mit langsameren Prozessen und molekularer Funktion direkt in einem Experiment zu verknüpfen.

Was sind die größten experimentellen Herausforderungen Ihrer Forschung?

Der Traum für ultraschnelle Strukturdynamikexperimente wären Untersuchungen an einzelnen Molekülen, dies ist aber experimentell nicht umzusetzen. Bei zeitaufgelöster Kristallographie auf kurzen Zeitskalen gibt es nicht nur Strahlungsschäden an der Probe, auch die Wechselwirkung der Probe mit dem Anregungslaser führt zu Schäden, die zu Artefakten in den Daten beitragen. Dieses Problem bei Multiphotonenprozessen besser zu charakterisieren und zu lösen, wird wichtig für die Aussagekraft künftiger Experimente.

Henrike Müller-Werkmeister ist seit Herbst 2017 Juniorprofessorin für physikalische Chemie mit Tenure Track an der Uni Potsdam und beteiligt sich am an Exzellenzcluster Unisyscat, Sie war von 2014 bis 2016 Postdoc an der University of Toronto und von 2016 bis 2017 am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg. Sie hat in Frankfurt am Main Biochemie und Physik studiert und in Physik promoviert.

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