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Das Wissen um die Struktur der Materie beschäftigt die Menschen schon seit langer Zeit. Bereits im Jahre 1611 rätselte Johannes Kepler darüber, wieso wohlSchneeflocken hexagonale Formen aufweisen. In seinem Werk «Strena seu de nive sexangula», was frei mit «Vom sechseckigen Schnee» übersetzt werden kann, schloss er richtig, dass die Anordnung von Teilchen in hexagonalen Grundformen sich eignet, den Raum perfekt zu nutzen, und dass deshalb wohl die in Schneeflocken beobachteten Winkel von 60 Grad im Zusammenhang ständen mit dieser hexagonalen Anordnung einer Art Grundbausteine im Innern des Schneekristalls. Diese Feststellung ist umso erstaunlicher, da zu diesem Zeitpunkt noch niemand an die Existenz von Atomen dachte: Bis zum Vorschlag des ersten weithin anerkannten Atommodells durch Niels Bohr sollte es noch mehr als 300 Jahre dauern! Kepler gelang der Blick ins Innere der Materie noch ohne die wissenschaftlichen Geräte, die wir heute für diese Zwecke einsetzen können. Bis zur Entdeckung der Röntgenstrahlung durch Wilhelm Röntgen im Jahre 1895 beschränkte sich der Blick auf kristalline Substanzen weitgehend auf ihr äusseres Erscheinungsbild. Die makroskopische Beschreibung von Kristallen gab jedoch bereits erste Hinweise auf den inneren Aufbau dieser besonderen Ausgestaltung der kondensierten Materie.Als dann Max von Laue zusammen mit Walter Fried rich und Paul Knipping im Jahre 1912 erstmals Röntgenstrahlen durch Kristalle schickten und die Streubilder mittels fotografischem Film sichtbar machen konnten, war der Weg geebnet, um ins Innere von kristallinen Substanzen schauen zu können. Vater William Henry und Sohn William Lawrence Bragg erarbeiteten als Erste eine Methode, um die Struktur - information solcher Beugungsexperimente zu erfassen und daraus die dreidimensionale Struktur der untersuchten kristallinen Verbindungen zu bestimmen. Weltweit erstmals konnten die beiden im Jahre 1914 die experimentell bestimmte Struktur von Kochsalz präsentieren.
Doch wie genau funktioniert diese vor rund 100 Jahren entdeckte Analysemethode im Detail? Grundsätzlich interagiert die Röntgenstrahlung mit jederArt von Materie oder, um genauer zu sein, mit den Elektronen, die sich rund um die Atomkerne aufhalten. Die resultierenden Überlagerungen der von den einzelnen Atomen durch die Anregung emittierten Sekundärwellen kann mathematisch als die Fourier-Transformation der in der Probe vorhandenen Elektronendichte beschrieben werden. Die periodische Anordnung der Moleküle im Kristallgitter bringt es mit sich, dass sich diese Fourier-Transformation zu einer diskreten Fourier-Transformation reduziert, denn sie liefert nur für genau definierte Positionen im reziproken Raum positive Werte, ansonsten immer null. Deshalb sehen wir in einem typischen Beugungsbild von einem Röntgenbeugungsexperiment an einem Einkristall nur Punkte. Diesem glücklichen Umstand ist es letztlich zu verdanken, dass die vorhin erwähnte Strukturanalyse von Kochsalz mittels Röntgenbeugung schon vor etwas mehr als 100 Jahren erfolgreich gelang.
Viele Dinge haben sich in den letzten hundert Jahren verändert, jedoch ist Strukturanalyse heute wie damals eine sehr wertvolle Quelle von Information, und dies nicht nur für Chemiker und Biologen. Die Geräte, um Beugungsexperimente durchzuführen,wurden immer besser, und die Grenzen des Machbaren wurden immer weiter zurückgedrängt. Unser Projekt, an der Universität Basel ein hochleistungsfähiges Diffraktometer für schwierig zu messende Kristalle anzuschaffen, ist in diesem Zusammenhang der stetigen Innovation der zur Verfügung stehenden Technologien zu verstehen. Wir haben die absolut besten Komponenten, die es derzeit gibt, in einem Gerät vereint. Der Metaljet Generator, der eine Anode aus flüssigem Gallium einsetzt, um der Gefahr des Schmelzens der Anode zu entgehen, liefert einen Primärstrahl, dessen Intensität weit über dem bisher im Labor Erreichbaren liegt. Der Pilatus Detektor, der als Schweizer Erfindung weltweit an allen wichtigen Beamlines zum Einsatz kommt, ist wegen seiner unübertroffenen Empfindlichkeit und seiner rauschfreien Auslesung der Messwerte Referenz. All dies wurde von der Traditionsfirma STOE in Darmstadt zu einem Gerät zusammengebaut, das seinesgleichen sucht. Bisher sind ähnliche Instrumente nur in zwei anderen Labors der Welt anzutreffen.
In den wenigen Monaten, in denen wir das neue Diffraktometer bisher im Einsatz hatten, sind bereits Experimente gelungen, die wir mit der bis anhin zur Verfügung stehenden Ausrüstung zu keinem erfolgreichen Ende hatten führen können. Sei es, dass mit der alten Anlage die Symmetrie des Kristalls nicht richtig erkannt werden konnte, sei es, weil vorher einfach nicht genügend Intensität zur Verfügung stand, um Experimente mit sehr kleinen Kristallen erfolgreich abzuschliessen. Die Feuerprobe hat dieses Diffraktometer bereits bestanden, und wir freuen uns auf alle Herausforderungen, die wir damit werden meistern können! Wir danken allen, die dazu beigetragen haben, dass dieses Projekt erfolgreich hat realisiert werden können. Dank Geldern aus den Budgetmitteln der Universität Basel sowie Drittmitteln vom Schweizerischen Nationalfonds und aus dem Fonds zur Förderung von Lehre und Forschung konnten wir dieses Gerät für die Forschung am Departement Chemie beschaffen. An dieser Stelle bedanke ich mich sehr für diese Hilfe, deren wahrer Wert erst in den Publikationen sichtbar werden wird, für welche wir damit Daten messen und Strukturen bestimmen können werden. Wir wünschen, dass mit diesem Diffraktometer viele Male Licht ins Dunkel gebracht werden wird!
Dr. Markus Neuburger
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