Anwendung der NMR-Spektroskopie zur Erforschung von Struktur-Beweglichkeits-Beziehungen an nanoporösen Wirt-Gast-Systemen im konzertierten Einsatz mit dem Micro-Imaging

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Haase; Professor Dr. Jörg Kärger
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277602929

In insbesondere auch apparativ-methodischen Arbeiten im Rahmen des Projektes KA 953/20-1,2 wurde mit den Methoden des Micro-Imaging (Aufzeichnung transienter Konzentrationsprofile mittels Interferenz- und IR-Mikroskopie) ein neuer Zugang zur molekularen Dynamik in nanoporösen Wirt-Gast-Systemen erschlossen. NMR-Diffusionsmessungen mit gepulsten Feldgradienten (PFG NMR) sind - als gleichfalls mikroskopische Methode - hierzu in doppeltem Sinn komplementär, da sie unter Gleichgewichtsbedingungen eingesetzt werden und, dadurch bedingt, bei der Variation von Temperatur und Druck (und damit der Gastkonzentration) viel größere Bereiche überstreichen können. Das im konzertierten Einsatz von PFG NMR und Micro-Imaging liegende Potenzial soll im Projektvorschlag, der parallel zu dem Antrag "Micro-Imaging zur Erforschung von Diffusion und Reaktion in nanoporösen Materialien" von C. Chmelik gestellt wird, gezielt zur Vertiefung unseres Kenntnisstandes zur Moleküldynamik in nanoporösen Materialien genutzt werden. Die Beantwortung der meisten Fragestellungen wird hierbei erst dank dieses konzertierten Einsatzes möglich. Neben technisch-apparativen Entwicklungen zum Einsatz der PFG NMR für das jeweilige Gebiet, darunter zur Variation von Temperatur, Druck und Beobachtungszeit über deutlich größere Bereiche als gegenwärtig möglich, werden sich die Arbeiten auf drei Themenkreise konzentrieren: (i) Mit der Kombination der Messungen von Selbstdiffusion (PFG NMR, dieses Projekt) und Transportdiffusion (Micro-Imaging) eröffnen sich noch nie dagewesene Möglichkeiten zur Untersuchung des Zusammenhangs von Transporterscheinungen unter Gleich- und Nichtgleichgewichtsbedingungen, einer der grundlegenden Fragestellungen aktueller Forschung überhaupt bei der Untersuchung mesoskopischer molekularer Systeme unter räumlicher Beschränkung. (ii) Es sollen zweitens die Möglichkeiten der PFG NMR gezielt zur Erforschung des Einflusses der Gast-Wirt-Wechselwirkung auf Wirtstruktur und Gastdynamik untersucht und zum Einsatz gebracht werden. Dies betrifft insbesondere die Möglichkeit der Temperaturvariation über große Bereiche, bei der drastische Änderungen im Verhalten zu erwarten sind. Zum Verständnis dieser Prozesse - und möglicherweise überhaupt erst für ihre Nachweisbarkeit - sind solch drastische Änderungen essenziell. (iii) Während die im zweiten Themenkreis betrachtete Gast-Wirt-Wechselwirkung zu einem ganz neuen Typ von Hysterese-Erscheinungen geführt hat, sind Erscheinungen der Sorptions-Hysterese an mesoporösen Materialien bereits seit über 100 Jahren bekannt. Die Erklärung ihres Zustandekommens und damit der Mechanismen, aus denen ihre Zeitabhängigkeit abgeleitet werden kann, ist aber bis heute ein kontrovers diskutiertes Thema. Mit der Information aus dem kombinierten Einsatz von PFG NMR und Micro-Imaging zur inneren Dynamik dieser Systeme können für diese Diskussion wertvolle experimentelle Daten zur Verfügung gestellt werden, die bisher nicht zugänglich waren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen