Bildgebung durch Röntgenbeugung ist eine wichtige experimentelle Methode der Materialwissenschaften und wird bereits seit vielen Jahrzehnten erfolgreich zur Strukturbestimmung unbekannter molekularer Proben angewendet. Röntgenbeugung stellt die wichtigste Methode der Strukturbiologie dar, um unbekannte molekulare Strukturen großer Biomoleküle zu bestimmen, welche üblicherweise viele Tausend bis einige Millionen Atome umfassen können. An einzelnen Molekülen durchgeführte Röntgenbeugungsexperimente liefern jedoch nur ein sehr schwaches Streusignal. Daher ist die periodische Anordnung vieler identischer Exemplare des zu untersuchenden Moleküls innerhalb eines strikt periodischen Kristallgitters eine notwendige Voraussetzung für die Messung eines stark verbesserten Streusignals durch sog. Bragg-Streuung. Der dafür notwendige Schritt der Kristallisation ausreichend grosser Kristalle einer molekularen Probe stellt heutzutage jedoch das größte Hindernis der Strukturbiologie dar. Neuartige Röntgenquellen wie sog. "X-ray Freie-Elektronen Laser"(XFELs) stellen jedoch einen neuartigen Ansatz dar, dieses Hindernis zu umgehen.
Röntgenpulse von XFELs besitzen eine um mehrere Größenordnungen höhere Intensität als die Pulse eines Synchrotrons, können aber gleichzeitig nur wenige Femtosekunden (fs) lang sein; kombiniert mit Wellenlängen im nm-pm-Bereich sind sie somit perfekt zur Untersuchung schneller dynamischer Prozesse im atomaren und molekularen Bereich geeignet. Die Verwendung dieser Ultrakurzzeitpulse erlaubt weiterhin die Umgehung der sonst üblicherweise zu beachtenden Begrenzung der Intensität in Röntgenbeugungsexperimenten; durch die "Ultrakurzzeitbelichtung" im Zeitbereich weniger fs kann das Streubild eine intakten Probe erhalten werden bevor die unweigerlich erfolgende, in der hohen Eingangsintensität begründete, Zerstörung zu einem nennenswerten Zerfall der Probe führt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieser Ansatz bis zum Limit kleiner isolierter einzelner Moleküle verfolgt. In einem am Freie-Elektronen Laser LCLS durchgeführten Experiment wurde ein Ensemble von 2,5-Diiodobenzonitril-Molekülen in der Gasphase durch einen Nd:YAG-Laser ausgerichtet sowie anschliessend Röntgenbeugung an diesen ausgerichteten Molekülen durchgeführt. Die starke Ausrichtung der DIBN-Moleüle erforderte eine gute Präparation der Moleküle in möglichst niedrigen Quantenzuständen, was durch Kühlung innerhalb einer supersonischen Expansion sowie folgende Selektion der niedrigsten Quantenzustände mittels eines elektrostatischen Deflektors erreicht wurde. Die Verbesserung der Ausrichtung der Moleküle nach erfolgter Quantenzustandsselektion konnte nachgewiesen werden. Quantenzustandsselektion im Deflektor kann auch zur räumlichen Trennung verschiedener Komplexe, bestehend aus mehreren Molekülen, gebraucht werden, was ebenfalls in dieser Arbeit dargestellt ist.
Im folgenden Röntgenbeugungsexperiment konnte schließlich ein signifikanter Unterschied des Signals ausgerichteter gegenüber isotrop-verteilter Moleküle nachgewiesen werden, der durch die theoretische Berechnung von Röntgenstreuintensitäten bestätigt wurde. Die Resultate stellen damit einen wichtigen Schritt hin zu Röntgenbeugungsexperimenten an einzelnen Molekülen an XFELs dar. Aufbauend auf den Resultaten dieser Arbeit werden erforderliche Voraussetzungen für folgende Experimente dieser Art behandelt. Hierbei wird ausdrücklich auch die Durchführbarkeit derartiger Experimente für größere Biomakromoleküle sowie die Voraussetzungen der Beobachtung ultraschneller dynamischer Prozesse mittels Röntgenbeugungsexperimenten an XFELs diskutiert.
X-ray diffractive imaging is at the very heart of materials science and has been utilized for decades to solve unknown molecular structures. Nowadays, it serves as the key method of structural biology to solve molecular structures of large biological molecules comprising several thousand or even millions of atoms. However, x-ray diffraction from isolated molecules is very weak. Therefore, the regular and periodic arrangement of a huge number of identical copies of a certain molecule of interest within a crystal lattice has been a necessary condition in order to exploit Bragg diffraction of x-rays. This results in a huge increase in scattered signal and a strongly improved signal-to-noise ratio compared to diffraction from non-crystalline samples. The major bottleneck of structural biology is that many of biologically interesting molecules refuse to form crystals of sufficient size to be used at synchrotron x-ray lightsources. However, novel x-ray free-electron lasers (XFELs), which became operational very recently, promise to address this issue.
X-ray pulses provided by XFELs are many orders of magnitude more intense than x-ray pulses from a synchrotron source and at the same time as short as only several tens of femtoseconds. Combined with wavelengths in the nm--pm range, XFELs are well-suited to study ultrafast atomic and molecular dynamics. Additionally, the ultrashort pulses can be utilized to circumvent the damage threshold which set a limit to the incident intensity in x-ray diffraction experiments before. At XFELs, though eventually destroying the investigated sample, no significant sample deterioration happens on the ultrashort timescale of the XFEL pulse and the measured diffraction pattern is due to an (almost) unharmed sample.
In the framework of this thesis, the approach of utilizing the highly intense XFEL pulses for x-ray diffraction of weakly-scattering non-crystalline samples was taken to the limit of small isolated molecules. X-ray diffraction was performed on a gas-phase ensemble of the prototypical molecule 2,5-diiodobenzonitrile (C7H3I2N, DIBN) at the x-ray free-electron laser LCLS. The target molecules were laser-aligned along a common axis in the laboratory frame by a Nd:YAG laser. Reaching a strong degree of molecular alignment, was an important step in this experiment. Therefore, a significant part of the work was dedicated to gaining control of the molecular degrees of freedom. In order to reach a high degree of alignment, the target molecules were prepared in low rotational quantum states by means of efficient cooling in a supersonic expansion from a pulsed valve followed by spatial quantum-state selection in an electrostatic deflector. Utilization of the deflector significantly improved alignment of the DIBN molecules. Further applications of the deflection technique such as, e.g., the spatial separation of several species of molecular complexes/clusters are presented in this thesis as well.
The quantum-state selected and strongly laser-aligned samples were probed by the x-ray pulses of LCLS and the obtained diffraction patterns show a significant difference when comparing diffraction from aligned and isotropically-distributed DIBN which agrees well with theory. The results represent an important step in the effort of pushing diffractive imaging of non-crystalline samples at XFELs towards the single-molecule limit. Concepts and experimental requirements for future experiments of this kind are discussed, involving, e.g., the step towards imaging of laser-aligned large (bio)macromolecules or imaging of ultrafast fragmentation dynamics in femtosecond pump-probe experiments at XFELs.