Tieffrequenz-NMR-Relaxometrie zum Studium der Polymerdynamik

• Antragsteller: Professor Dr. Franz Fujara; Professor Dr. Ernst Rößler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255348432

Wir planen den kombinierten Einsatz von Field-Cycling (FC)- und Feldgradienten (FG)-NMR für das Studium der kollektiven Dynamik linearer Polymerschmelzen. Dabei nutzen wir die für beide Methoden in der ersten Periode erreichten instrumentellen Fortschritte systematisch aus; so erstrecken sich die aus FC-Messungen erhaltene frequenzabhängige Relaxationsrate über fünf Dekaden bis zu tiefsten Frequenzen (von 40 MHz bis hinunter zu 300 Hz). Die sich in den ersten Messungen andeutenden Mängel des Tube-Reptation-Modells sollen für weitere Polymere verifiziert und Bezug zu alternativen Modellen der Polymerdynamik hergestellt werden. Auch die gefundenen Diskrepanzen zwischen den FC-NMR-Daten, Doppelquanten- (AG Saalwächter, Halle) und (generischen) Simulationen gilt es aufzuklären. Insgesamt geht es um die wichtige Frage, inwieweit das Tube-Reptation-Modell auf mikroskopischer Ebene seine Gültigkeit behält. Für den Zugang zur reinen Reorientierungsdynamik planen wir erstmals Messungen der Dis-persion der 2H-Relaxation zusätzlich zur Bestimmung der intramolekularen 1H-Relaxation. Letztere muss durch Isotopenverdünnung ermittelt werden und liefert darüber hinaus die intermolekularen Relaxationsdispersion. Das Verhältnis beider Relaxationsbeiträge als Funktion der Frequenz gibt wichtige Hinweise zur mikroskopischen Dynamik und erlaubt es, zwischen verschiedenen Polymermodellen zu unterscheiden. Darüber soll aus der Inter-Rate das mittlere Verschiebungsquadrat (MSD) abgeleitet und direkt mit dem aus FG-Messungen kombiniert. Auf diese Weise lässt sich schließlich erstmals der gesamte sub-diffusive Bereich im MSD identifizieren. Für die theoretische Analyse von NMR-Relaxation und Polymer-dynamik haben wir N. Fatkullin (Kazan) als Mitarbeiter gewonnen. Auch die instrumentelle Entwicklung soll noch weitergetrieben werden. Wir streben als untere Grenze routinemäßig Frequenzen deutlich unterhalb von 100 Hz (1H-Frequenz) an. Damit wäre das Frequenzfenster der FC-NMR bei niedrigen Frequenzen um mehr als zwei Dekaden gegenüber den kommerziellen Spektrometern erweitert und die Voraussetzung, die Methode als höchst leistungsfähige molekulare Rheologie zum Studium verschiedener Soft Matter zu etablieren, erfüllt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen