Blackbox-Verfahren für superschnelle Ergebnisse
Die elektronische Struktur komplexer Moleküle kann aus RIXS-Daten an BESSY II errechnet werden. © Martin Künsting /HZB
Die elektronische Struktur von komplexen Molekülen und ihre chemische Reaktivität können mit Hilfe der Methode der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (RIXS) an BESSY II untersucht werden. Allerdings erfordert die Auswertung von RIXS-Daten bisher sehr lange Rechenzeiten. Ein Team an BESSY II hat nun ein neues Simulationsverfahren entwickelt, das diese Auswertung stark beschleunigt. Die Ergebnisse können sogar während des Experiments berechnet werden. Messgäste können das Verfahren wie eine Blackbox nutzen.
Moleküle aus vielen Atomen sind komplexe Gebilde. Die Außenelektronen verteilen sich auf die unterschiedlichen Orbitale, und deren Gestalt entscheidet über das chemische Verhalten und die Reaktivität des Moleküls. Experimentell lassen sich Konfiguration und Besetzung dieser Orbitale durchaus ermitteln. An Synchrotronquellen mit hochbrillanter Röntgenstrahlung wie BESSY II steht dafür eine Methode zur Verfügung: Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS). Um von den Messdaten jedoch zu Aussagen über die Orbitale zu kommen, sind aufwändige quantenchemische Simulationen notwendig, typische Rechenzeiten für größere Moleküle dauern selbst an Großrechnern Wochen.
„Bisher fanden diese Berechnungen meist im Anschluss an die Messungen statt“, erklärt der theoretische Chemiker Dr. Vinicius Vaz da Cruz, Postdoc im Team von Prof. Dr. Alexander Föhlisch. Gemeinsam mit dem RIXS-Experten Dr. Sebastian Eckert, ebenfalls Postdoc in Föhlischs Team, haben sie nun ein raffiniertes neues Verfahren entwickelt, das die Auswertung um ein Vielfaches beschleunigt.
Auswertung binnen Minuten
„Mit unserer Methode dauert es ein paar Minuten und wir brauchen dafür keinen Großrechner, es funktioniert auf dem Desktoprechner“, sagt Eckert. Die HZB-Wissenschaftler haben das Verfahren an dem Molekül 2-Thiopyridon, getestet, einem Modellmolekül für Protonentransfer-Prozesse, die in lebenden Zellen und Organismen eine entscheidende Rolle spielen. Die Ergebnisse sind trotz der kurzen Rechenzeit präzise und zielführend.
Simulationen während der Messung möglich
„Dies ist ein gewaltiger Fortschritt“, betont Föhlisch. „So können wir vorab bereits viele Optionen durchspielen und das Molekül sozusagen kennenlernen. Außerdem ist es mit diesem Verfahren auch möglich, weitaus komplexere Moleküle zu simulieren und die experimentell gewonnenen Daten sinnvoll zu interpretieren.“ Experimentalphysiker Eckert fügt an:„ Auch während der Messung können wir jetzt die Simulationen mitlaufen lassen und gleich sehen, wo es eventuell besonders spannend ist, experimentell genauer hinzuschauen.“
Das Verfahren stellt eine Erweiterung der weit verbreiteten, höchst effizienten Methode der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie dar, welche um ein Vielfaches schneller Ergebnisse liefert, als konventionelle Methoden zur Simulation von RIXS Spektren. „Dies lässt uns die Methode weitestgehend automatisieren“, sagt Vaz da Cruz: „Für den Nutzer lässt sich das Verfahren wie eine Blackbox benutzen.“
- Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verratenMit Infrarot-Vibrationsspektroskopie an BESSY II lassen sich hochaufgelöste Karten von Molekülen in lebenden Zellen und Zellorganellen in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung erstellen, zeigt eine neue Studie von einem Team aus HZB und Humboldt-Universität zu Berlin. Die Nano-IR-Spektroskopie mit SNOM an der IRIS-Beamline eignet sich, um winzige biologische Proben zu untersuchen und Infrarotbilder der Molekülschwingungen mit Nanometer-Auflösung zu erzeugen. Es ist sogar möglich, 3D-Informationen, also Infrarot-Tomogramme, aufzuzeichnen. Um das Verfahren zu testen, hat das Team Fibroblasten auf einer hochtransparenten SiC-Membran gezüchtet und in vivo untersucht. Die Methode ermöglicht neue Einblicke in die Zellbiologie.
- Verleihung des Technologietransfer-Preises 2025Die Verleihung des Technologietransfer-Preises wird am 13. Oktober um 14 Uhr im Hörsaal des BESSY-II-Gebäudes in Adlershof stattfinden.
- Neue Methode wirft Licht auf Nanomaterialien: Wie MXene wirklich funktionierenForschende haben erstmals die tatsächlichen Eigenschaften einzelner MXene-Flocken gemessen – einem spannenden neuen Nanomaterial mit Potenzial für bessere Batterien, flexible Elektronik und Geräte für saubere Energie. Mithilfe einer neuartigen lichtbasierten Technik – der spektroskopischen Mikroellipsometrie – haben sie herausgefunden, wie sich MXene auf der Ebene einzelner Flocken verhalten und dabei Veränderungen in der Leitfähigkeit und der optischen Reaktion aufgedeckt, die zuvor bei der Untersuchung gestapelter Schichten verborgen geblieben waren. Dieser Durchbruch liefert grundlegendes Wissen und Werkzeuge für die Entwicklung intelligenterer und effizienterer Technologien auf Basis von MXenen.