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Als Teil eines internationalen Teams haben Forschende der Abteilung Molekülphysik am Fritz-Haber-Institut genau beobachten können, wie sich Atome neu anordnen, bevor sie in einem durch Röntgenstrahlung ausgelösten Prozess zerfallen. Dabei setzen sie energiearme Elektronen frei. Die Forschenden gewannen so erstmals detaillierte Einblicke in den zeitlichen Ablauf des Zerfallsprozesses - und damit neue Erkenntnisse über die Entstehung von Strahlenschäden.
Wichtige Aspekte:
- Der Prozess: Im Fokus der Untersuchung liegt ein durch Strahlung ausgelöster Prozess, durch den schwach gebundene Materie zerfallen kann: der durch Elektronentransfer vermittelte Zerfall (electron-transfer-mediated decay, ETMD). Dieser steht im Verdacht, in wässrigen Medien reaktive Spezies zu erzeugen. Daher ist ETMD im Zusammenhang mit Strahlenschäden in biologischer Materie und Gewebe von besonderer Bedeutung ist.
- Das Experiment: Die Forschenden verfolgen präzise den zeitlichen Verlauf des Prozesses in einem Modellsystem. SIe nutzen hierzu ein spezielles Reaktionsmikroskop und
- Fundamentale Erkenntnisse: Am Ende sehen sie buchstäblich einen Film davon, wie die Atome bis zu einer Pikosekunde lang umeinander herum kreisen, bevor das System explodiert.
- Bedeutung der Ergebnisse: Die neuen Erkenntnisse erweitern unser Bild vom Zerfallsprozess und tragen somit zum Verständnis der Entstehung von Strahlenschäden bei.
Durch Strahlung ausgelöste Zerfallsprozesse
Energieriche Strahlung, beispielsweise im Bereich der Röntgenstrahlung, kann unsere Zellen schädigen. Denn energiereiche Strahlung kann Atome und Moleküle anregen, woraufhin diese häufig zerfallen – was Biomoleküle zerstören kann oder zum Verlust der Funktion größerer biologischer Einheiten iführt. Es gibt eine Vielzahl von Zerfallsprozessen, deren Untersuchung wichtig ist, um Strahlenschäden besser verstehen und abwenden zu können.
In ihrer aktuellen Studie untersuchten Forschende der Abteilung Molekülphysik gemeinsam mit internationalen Partnern einen durch Strahlung induzierten Zerfallsprozess, der in der Radiochemie und bei biologischen Schädigungsprozessen eine Schlüsselrolle spielt: den durch Elektronentransfer vermittelten Zerfall (electron-transfer-mediated decay, ETMD). Bei diesem Prozess wird ein Atom durch Bestrahlung angeregt. Anschließend relaxiert dieses Atom, indem es einem Nachbarn ein Elektron wegnimmt, während die freigesetzte Energie ein weiteres Atom in der Nähe ionisiert. Das Forschungsteam konnte direkt verfolgen, wie sich Atome in einem Modellsystem bewegen und neu anordnen, bevor sie diesen besonderen elektronischen Zerfallsprozess durchlaufen. Ihre Arbeit liefert das bislang detaillierteste Bild von ETMD - in Echtzeit.
Eine ausgefeilte Kombination aus Experiment und Theorie
Das internationale Team untersuchte ein prototypisches System bestehend aus einem Neonatom, das lose an zwei Kryptonatome gebunden ist (NeKr2-Trimer). Nach der Ionisierung des Neonatoms durch weiche Röntgenstrahlung verfolgten die Forschende das System bis zu einer Pikosekunde lang – eine Ewigkeit auf der atomaren Zeitskala – bevor es schließlich zerfiel und dabei ein energiearmes Elektron aussandte. Das Team führte seine Messungen an den beiden Synchrotrons BESSY II (Berlin) und PETRA III (Hamburg) durch: Mithilfe eines hochmodernen COLTRIMS-Reaktionsmikroskops drekonstruierte das Team die Molekülgeometrie genau in dem Moment, in dem der Zerfall stattfand. Zur Interpretation der Messungen wurden quantenmechanische Simulationen durchgeführt, bei denen Tausende von Kernbahnen verfolgt und die Zerfallswahrscheinlichkeit entlang jeder einzelnen der Bahnen bewertet wurden.
Ein Film des nicht-lokalen elektronischen Zerfalls
Was sie entdeckten, war verblüffend: Die Atome bleiben nicht in ihrer ursprünglichen Konfiguration eingefroren. Stattdessen vollführen sie eine deutliche Kreisel-Bewegung, bei der sich die Molekülgeometrie kontinuierlich verändert und die stark beeinflusst, wann und wie der Zerfall stattfindet.
„Wir können buchstäblich beobachten, wie sich die Atome vor dem Zerfall bewegen“, sagt Florian Trinter, einer der Hauptautoren. „Der Zerfall ist nicht nur ein elektronischer Prozess – er wird auf sehr direkte und intuitive Weise durch die Kernbewegungen gesteuert.“
Die Ergebnisse zeigen, dass ETMD nicht nur bei Molekülen einer einzigen „bevorzugten” Struktur auftritt. Vielmehr liegen zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Molekülgeometrien vor: Zu Beginn hat das System die Struktur des Grundzustands, wenn der Zerfall geschieht. Zu einem späteren Zeitpunkt nähert sich ein Kryptonatom dem Neonatom stark an und das zweite entfernt sich – eine optimale Konstellation für die Elektronenabgabe und den Energietransfer über große Entfernungen. Zu noch späteren Zeitpunkten nimmt das System nahezu lineare und stark verzerrte Konfigurationen an, die eine pendelartige, wandernde Bewegung der Atome widerspiegeln. Diese dynamische Umformung führt zu stark zeitabhängigen Zerfallsraten, die je nach Geometrie um fast eine Größenordnung variieren.
„Die Atome durchlaufen große Bereiche des Konfigurationsraums, bevor der Zerfall schließlich stattfindet“, erklärt Till Jahnke, leitender Autor der Studie. „Dies zeigt, dass die Kernbewegung keine geringfügige Korrektur ist – sie steuert grundlegend die Effizienz des nicht-lokalen elektronischen Zerfalls.“
Warum diese Erkenntnisse wichtig sind
ETMD hat zunehmend Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da es effizient energiearme Elektronen erzeugt, von denen bekannt ist, dass sie Schäden in Flüssigkeiten und biologischen Stoffen verursachen. Das Verständnis, wie ETMD von der Molekülstruktur und -bewegung abhängt, ist daher entscheidend für die Modellierung von Strahlenschäden in Wasser und biomolekularen Umgebungen sowie für die Interpretation von Ultrakurzwellen-Röntgenexperimenten. Darüber hinaus sind die aktuellen Erkenntnisse sehr hilfreich für die Entwicklung skalierbarer theoretischer Ansätze, die genaue Zerfallsraten in große, komplexe Systeme einbetten.
Die aktuelle Studie setzt einen neuen Maßstab: Sie beschreibt sehr detailliert das kleinstmögliche System, in dem ETMD mit drei Atomen möglich ist. Somit bildet die vorliegende Studie die Basis für eine Ausweitung des Forschungsansatzes auf Flüssigkeiten, solvatisierte Ionen und biologische Umgebungen.
„Diese Arbeit zeigt, wie nicht-lokaler elektronischer Zerfall als leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung molekularer Bewegungen eingesetzt werden kann“, schlussfolgern die Autoren. „Sie eröffnet neue Möglichkeiten für die Darstellung ultraschneller Dynamik in schwach gebundener Materie mit bisher unerreichter Detailgenauigkeit.“
Florian Trinter, trinter@fhi-berlin.mpg.de
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c15510
https://www.fhi.mpg.de/2196145/2026-01-26_Watching-Atoms-Roam-Before-They-Decay
Die drei Atome des angeregten NeKr2 Trimers kreisen bis zu einer Pikosekunde lang umeinander herum.
Copyright: © FHI
Die Studie lefert Erkenntnisse zum zeitlichen Verlauf des ETMD-Prozesses.
Copyright: © FHI
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars, Students, Teachers and pupils, all interested persons
Chemistry, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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