Interferometrie in der Zeitdomäne mit weicher Röntgenstrahlung und Attosekundenpräzision: Ultraschnelle Spektroskopie und Spektro-Mikroskopie in wässrigen Lösungen

• Antragsteller: Professor Dr. Detlef Kip; Privatdozent Dr. Tim Laarmann; Dr. Jan Rothhardt
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405054418

Zum ersten Mal werden wir Bildgebungs- und Ladungsmigrationsstudien in wässrigen Lösungen im sogenannten Wasserfenster des Röntgenspektrums durchführen, welches das Studium biologischer Proben in ihrer natürlichen Umgebung erlaubt. Die geplanten interferometrischen Messungen im Zeitbereich schöpfen die Eigenschaften der inhärent breitbandigen kompakten harmonischen Quellen im Wasserfenster in optimaler Weise aus, indem sie Fourier-Transformations-Spektroskopie mit noch nie dagewesener Präzision ermöglichen. Die Kombination dieser Spektroskopie Methode mit dem linsenlosen Bildgebungsverfahren Ptychographie wird neue spektro-mikroskopische Untersuchungen auf der Nanoskala ermöglichen, d.h. die Messung der komplexen Transmission biologischer Proben mit räumlicher Auflösung im Nanometer- und spektraler Auflösung im sub-eV-Bereich. Damit werden neue Einblicke ins Innere von µm-großen biologischen Objekten mit Element- und chemischem Kontrast möglich. Die Umsetzung mit kompakten Lichtquellen im Labormaßstab ist entscheidend für zukünftige Anwendungen in der Biologie und Medizin z.B. für die Klassifizierung von Krebszellen, die Erkennung von Viren und Bakterien anhand ihrer nanoskaligen Morphologie oder zur Untersuchung der Wechselwirkung von Krankheitserregern mit infizierten Zellen für die Entwicklung neuer Heilungsstrategien. Das Aminosäuremolekül Glycin in wässriger Lösung dient als Modellsystem zur Erforschung der möglichen Rolle nichtlokaler Relaxationsprozesse bei der strahlungsinduzierten chemischen Reaktivität an der Grenzfläche zwischen einem Protein und dem fluktuierenden Wassernetzwerk. Bislang steckt unser Verständnis der quantendynamischen Details strahlungsinduzierter Wasserchemie auf molekularer Ebene noch in den Kinderschuhen. Grundsätzlich entsteht bei der Radiolyse von flüssigem Wasser durch Ionisation ein hochreaktives Medium aus ionischen und neutralen Radikalen. Hochenergetische Photonen initiieren diese chemische Reaktion, die bei vielen Forschungsthemen eine wichtige Rolle spielt, z. B. bei Korrosionsprozessen in wassergekühlten Kernkraftwerken oder bei strahleninduzierten DNA-Schäden in lebenden Organismen. Eine bessere Kenntnis der Quanteneffekte, die beim Bruch einer chemischen Bindung in wässriger Lösung auftreten, kann die Kontrolle, die Optimierung und die technische Ausführung ionisierender Strahlung für die Strahlentherapie bei der Krebsbehandlung unterstützen. Dabei ist das Verständnis des Zusammenspiels zwischen intra- und intermolekularer Dynamik in wässriger Lösung sowie zwischen elektronischer und nuklearer Dynamik, die durch ionisierende Strahlung auf der Quantenebene von Elektronen und Ionen induziert wird, äußerst wichtig. Der DFG-Förderantrag befasst sich unter anderem mit der grundlegenden physikalisch-chemischen Fragestellung: Wie verläuft die ultraschnelle Umverteilung von Ladung und Energie bei der Bildung und dem Zerfall von Radikalen in hydratisierten Biomolekülen?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen