Neue Wege für Experimente mit erhitzten biologisch relevanten Proben

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Ein einzelner Terahertz-Blitz kann Wasser auf 600 Grad Celsius erhitzen. Alle Wassermoleküle bleiben dabei intakt. Illustration: Oriol Vendrell/DESY

Hamburg, 16. Dezember 2013. Hamburger Forscher haben eine Methode entworfen, um Wasser in weniger als einer billionstel Sekunde zum Kochen zu bringen. Das Verfahren, das bislang noch nicht in die Praxis umgesetzt worden ist, kann eine kleine Menge Wasser in nur einer halben Pikosekunde um 600 Grad Celsius erhitzen. Das ist viel schneller als der sprichwörtliche Wimpernschlag: Eine Pikosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zu fast 32 Jahrtausenden. Damit wäre die Methode der schnellste Wasserkocher der Welt.

Das theoretische Konzept eröffnet interessante neue Experimentiermöglichkeiten mit erhitzten chemisch oder biologisch relevanten Proben, wie seine Erfinder im aktuellen Heft des Fachblatts "Angewandte Chemie - International Edition" (Nr. 51, 16. Dezember 2013) berichten. "Wasser ist das bedeutendste Medium, in dem chemische und biologische Prozesse stattfinden", erläutert DESY-Forscher Dr. Oriol Vendrell vom Center for Free-Electron Laser Science CFEL, einer Kooperation von DESY, der Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. "Wasser ist nicht nur ein passives Lösungsmittel, sondern spielt eine wichtige Rolle für die Dynamik vieler biologischer und chemischer Prozesse, indem es etwa bestimmte chemische Verbindungen stabilisiert und manche Reaktionen überhaupt erst ermöglicht."

Herzstück des neuen Konzepts ist ein konzentrierter Blitz sogenannter Terahertz-Strahlung. Terahertz-Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz zwischen den Radiowellen und der Infrarotstrahlung. Terahertz-Blitze lassen sich unter anderem mit Anlagen namens Freie-Elektronen-Laser erzeugen, die schnelle Elektronen auf einen genau definierten Slalomkurs schicken. In jeder Kurve senden die Teilchen Strahlungsblitze aus, die sich zu einem intensiven, laserartigen Puls addieren. Der intensive Terahertz-Blitz bringt die Wassermoleküle auf einen Schlag heftig zum Vibrieren und löst die Wasserstoffbrückenbindungen, über die Wassermoleküle im flüssigen Zustand verbunden sind.

Die Wissenschaftler haben die Wechselwirkung des Terahertz-Blitzes mit dem Wasser berechnet, was keine einfache Aufgabe war. Die Simulationsrechnungen haben rund 200.000 Stunden Prozessorzeit auf einem großen Parallelcomputer am Supercomputerzentrum Jülich in Anspruch genommen. Auf einem einzelnen Prozessor hätten die Berechnungen rund 20 Jahre gedauert. "Wir kommen zu dem Ergebnis, dass es möglich sein sollte, die Flüssigkeit in nur einer halben Pikosekunde auf rund 600 Grad Celsius zu erhitzen, und damit eine kurzlebige heiße und strukturlose Umgebung mit der Dichte der Flüssigkeit zu erschaffen, wobei die einzelnen Wassermoleküle intakt bleiben", erläutert Vendrell.

Mit der neuen Methode lässt sich lediglich etwa ein Nanoliter (milliardstel Liter) auf einen Schlag erhitzen. Das klingt nicht viel, ist aber genug für die meisten Experimente. Zum Vergleich: Moderne Tintenstrahldrucker verspritzen Tröpfchen von einem Pikoliter, das ist noch tausendmal weniger als ein Nanoliter.

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Computer-Darstellung der molekularen Wasserwolke. Illustration: Oriol Vendrell/DESY

"Unser Plan ist, das 'Lösungsmittel' zu erhitzen, damit viele Moleküle den gewünschten chemischen Prozess zur selben Zeit starten, und man dann die Entwicklung der Reaktion verfolgen kann", erläutert Vendrell, der das Konzept für die Superheizung gemeinsam mit Pankai Kr. Mishra und Prof. Robin Santra vom CFEL erarbeitet hat. Obwohl die heiße Miniwolke nach nicht einmal einer Millisekunde (tausendstel Sekunde) auseinander fliegt, ist das lange genug, um alle interessanten Vorgänge in thermischen Reaktionen zu beobachten - etwa Reaktionen organischer Moleküle, die für biologische Prozesse interessant sind.

Die verschiedenen Stufen der Reaktion lassen sich etwa mit ultrakurzen Röntgenblitzen verfolgen, wie sie der 3,4 Kilometer lange Röntgenlaser European XFEL erzeugen wird, der gegenwärtig zwischen dem Hamburger DESY-Campus und der benachbarten Stadt Schenefeld in Schleswig-Holstein gebaut wird. Der European XFEL wird nach seiner Fertigstellung in der Lage sein, 27.000 intensive Röntgenblitze pro Sekunde zu erzeugen, um damit beispielsweise den Ablauf einer chemischen Reaktion aufzuzeichnen.

Ein Vorteil der Heizmethode ist dabei, dass sich der Terahertz-Blitz sehr genau mit dem Röntgenpuls synchronisieren lässt. So lässt sich das Experiment gezielt starten und der Zustand nach einer genau definierten Zeit beobachten. "Die kurzlebige und heiße Umgebung, die der Terahertz-Puls erzeugt, dürfte interessante Eigenschaften haben, etwa als Matrix zur Untersuchung gezielt aktivierter chemischer Prozesse", sagt Vendrell. "Das werden wir weiter untersuchen."


Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.



Originalveröffentlichung
“Ultrafast Energy Transfer to Liquid Water by Sub-Picosecond High- Intensity Terahertz Pulses: An Ab Initio Molecular Dynamics Study”; Pankaj Kr. Mishra, Oriol Vendrell and Robin Santra; Angewandte Chemie - International Edition, Vol. 52, Nr. 51, S. 13685-13687, 16. Dezember 2013; DOI: 10.1002/anie.201305991


Wissenschaftliche Ansprechpartner
Dr. Oriol Vendrell, Center for Free-Electron Laser Science, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, +49 40 8998-6304, oriol.vendrell@desy.de

Pressekontakt
DESY-Pressesprecher Thomas Zoufal, +49 8998-1666, presse@desy.de