Quantensensoren für NMR-Spektroskopie an Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Dominik Benjamin Bucher
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412351169

In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass Farbzentren in Diamant hervorragende Sensoren für Magnetfelder auf atomarer Ebene sind. Mit diesen Defekten im Diamantgitter - genauer gesagt dem Stickstoff-Fehlstellen (NV) Zentrum - konnten Kernspinresonanz (NMR) Signale von einigen wenigen Kubik-Nanometern Probenvolumen oder sogar einzelne Protonen detektiert werden. Obwohl diese innovative Technik, die aus der Quantenoptik stammt, ein vielversprechendes Werkzeug für die Chemie und die Biowissenschaften zu sein scheint, wurde sie bisher noch nicht angewandt, um wissenschaftliche Fragestellungen in diesen Bereichen zu lösen. Hier sollen die Diamantquantensensoren in einer interdisziplinären Forschungsgruppe eingesetzt werden, um eine oberflächensensitive NMR-Technologie für (bio-)chemische Anwendungen zu etablieren. Im Gegensatz zu den meisten früheren Arbeiten auf diesem Gebiet, bei denen einzelne NV-Zentren genutzt wurden, wird für diesen Antrag eine dichte NV-Schicht einige Nanometer unter der Oberfläche des Diamanten verwendet, was die Empfindlichkeit drastisch erhöhen wird. Diese NV-Zentren detektieren NMR-Signale von einigen wenigen Nanometer an der Oberfläche, was mit herkömmlichen NMR-Methoden nicht möglich ist. Die NV-NMR-Oberflächentechnologie soll in drei Richtungen in der Chemie und den Biowissenschaften angewandt werden: (1) Strukturanalyse oberflächengebundener Moleküle. Nanoskalige NV-NMR ergibt in der Regel breite Resonanzlinien (kHz) aufgrund kurzer Wechselwirkungszeiten des Kernspins mit dem NV-Sensor, die durch die molekulare Diffusion der Probe bedingt ist. Diese Diffusionslinienverbreiterung soll überwunden werden, indem Moleküle an die Diamantoberfläche chemisch angebunden werden, wodurch die Linienbreite auf 10-100 Hz reduziert werden soll. Mit diesem Ansatz sollen molekulare Strukturen von oberflächen-immobilisierten Katalysatoren aufgeklärt werden, welches mit heutigen Methoden nicht möglich ist. (2) Bestimmung der molekularen Struktur und Dynamik einzelner Lipiddoppelschichten auf der NV-Diamantoberfläche. Nach der Untersuchung von Lipiddoppelschichten wird das ultimative Ziel sein, die Membranstruktur lebender Zellen mit NV-NMR-Spektroskopie markierungsfrei und mikroskopisch zu bestimmen. (3) Untersuchung katalytisch aktiver Oberflächen. Dünne Platinschichten auf der Diamantoberfläche werden mit NV-NMR detektiert und die Materialeigenschaften werden mit der Schichtdicke korreliert. Darüber hinaus sollen molekulare Adsorptionsprozesse an der Platin-Oberfläche untersucht werden. Das übergeordnete Ziel dieses Antrags ist, Quantensensoren in der Chemie als Methode zu etablieren. Insbesondere sollen (bio)chemische Strukturen und Prozesse an Oberflächen untersucht werden, was mit derzeitigen NMR Techniken nicht möglich ist. Dieses Ziel soll durch eine einzigartige, interdisziplinäre Kombination aus Quantentechnologie und chemischen (synthetischen) Methoden erreicht werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Electromagnet ; arbitrary waveform generator
• Gerätegruppe: 0110 Hochstabile Magnete (mit homogenem oder speziellem Feldverlauf) ; 6040 Frequenz-Umformer (statisch) und Hochfrequenzgeneratoren