Entwicklung von Methodik und Theorie DNP-verstärkter NMR-Relaxometrie zur Untersuchung komplexer Fluide und poröser Medien

• Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Stapf
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Analytische Chemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 384109209

Field-Cycling-Relaxometrie ist eine spezielle Form der NMR, welche durch Messung der Relaxationszeit bei verschiedenen Magnetfeldstärken langsame Moleküldynamik aufschlüsselt. Aufgrund der niedrigen Detektionsfelder bleibt das Verfahren jedoch prinzipiell relativ unempfindlich, viele Systeme wie stark verdünnte Lösungen oder unempfindliche Isotope können deshalb nicht gemessen werden. Im ersten Förderzeitraum haben wir demonstriert, dass die Kombination mit Dynamischer Kernpolarisation (DNP) zu teilweise signifikanten Signalverstärkungen um 100 führt und somit viele dieser Systeme in den Untersuchungsbereich der Field-Cycling-Relaxometrie gerückt werden. Viel wichtiger war hierbei aber der Erkenntnisgewinn, welche Wechselwirkungsprozesse die Radikale mit den Zielmolekülen durchlaufen, und wie aus den Messdaten die intrinsischen, isotopenspezifischen Relaxationsraten frequenzabhängig rekonstruiert werden können. Mit dieser Methode besitzen wir nach wie vor ein Alleinstellungsmerkmal, vergleichbare Ansätze sind noch nicht publiziert worden. Im Fortsetzungszeitraum planen wir die weitere Steigerung der Signalintensität um mindestens eine Größenordnung, die Verbesserung der Stabilität und die Ermöglichung temperaturabhängiger Messungen, welche für das theoretische Verständnis der verschiedenen DNP-Prozesse notwendig sind – diese Optimierungen setzen den Einsatz kommerzieller Komponenten voraus. Zugleich wenden wir Erkenntnisse aus den experimentellen Arbeiten der ersten Förderphase an und konzentrieren uns auf Oberflächen (Immobilisierung von Radikalen zur Analyse der Molekulardynamik von Adsorbaten in Zweikomponentensystemen) sowie komplexe Fluide (Ionische Flüssigkeiten, Polymere) mit zwei oder mehr Komponenten, die durch die Signalverstärkung selektiv adressiert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Wide-Bore-Magnet (Upgrade) für DNP-NMR
• Gerätegruppe: 1741 Festkörper-NMR-Spektrometer