Fortsetzung von ,,Weiterentwicklung der Quantenkristallographie zur Visualisierung und Charakterisierung chemischer Reaktionen durch Beugungsexperimente": Von Modellsystemen zu echten Systemen – von Molekülen zu Materialien

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Simon Grabowsky
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 247485038

Quantenkristallographie ist eine Verschmelzung von Beugungsexperimenten und Wellenfunktionen zu integrierten Forschungsverfahren. Sie hat sich in den letzten Jahren in ein neues eigenständiges Wissenschaftsfeld entwickelt. Unser Beitrag zu diesem Feld ist die Methode Röntgenwellenfunktionsverfeinerung (X-ray Wavefunction Refinement XWR). Im ursprünglichen Emmy-Noether-Projekt haben wir gezeigt, dass XWR seit Langem bestehende Probleme der Röntgenstrukturanalyse und der experimentellen Elektronendichteforschung lösen kann, besonders hinsichtlich der korrekten und akkuraten Beschreibung von Wasserstoffatomen und polaren Bindungen. Unsere Methoden- und Softwareentwicklung für XWR im Bereich der molekularen Chemie ist nun erfolgreich abgeschlossen.Daher beschäftigen wir uns im ersten Teil des Fortsetzungsantrags mit der Anwendung von XWR auf chemische Probleme, die mit Wasserstoffatomen zu tun haben und die von keiner anderen Methode gelöst werden können. Wir werden die prototrope Tautomerie von Chinolon-N-oxiden analysieren, die für den Wirkmechanismus der antibiotischen Aktivität der Verbindungen verantwortlich ist. Außerdem werden wir C-H-Bindungsaktivierung durch agostische Wechselwirkungen in Titanamiden untersuchen. In beiden Substanzklassen konnten die Wasserstoffatome bisher nicht lokalisiert werden und es gibt keine Untersuchung der energetischen und Bindungsverhältnisse, wofür aber XWR die geeigneten Möglichkeiten liefert, um die offenen Fragen zu beantworten.Im zweiten Teil des Projekts werden wir XWR auf die Anwendung in den Materialwissenschaften erweitern. Viele Materialien von technischem Interesse sind Netzwerkverbindungen, das heißt periodische Feststoffe, für deren Beschreibung eine molekulare Wellenfunktion ungeeignet ist. Außerdem formen sie keine genügend großen Einkristalle für Routine-Röntgenstrukturbestimmung, sodass nur Pulverröntgenbeugung möglich ist. Deshalb werden wir periodisches XWR entwickeln, das auf einer Kombination aus „extremely localised molecular orbitals“ und „Wannier functions“ beruht, was zu „extremely localised Wannier functions (ELWFs)“ führen wird. Zudem werden wir die iterative XWR-Rietveldverfeinerung entwickeln, die verbesserte Strukturbestimmung aus Pulverdaten ermöglichen wird. Die Kombination dieser beiden Methoden wird die Anwendung von XWR auf Pulver aus Netzwerkverbindungen ermöglichen. Das wird erstmalig die experimentelle Untersuchung von Materialeigenschaften von Pulvern auf subatomarer Ebene mit einem Fokus auf Bindungsaspekte erlauben. Wir werden mit der Analyse von thermoelektrischen Eigenschaften von Skutterudit- und thermochromen Eigenschaften von Mullit-Materialien beginnen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen