Charakterisierung der Dynamik an Grenzflächen zwischen flüssiger und fester Phase durch Dynamische Kernspinpolarisation

• Antragsteller: Dr. Tomas Orlando
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455993474

Grenzflächen zwischen fester und flüssiger Phase sind auf molekularer Ebene unter Umgebungsdruck und bei Raumtemperatur in der Regel schwer spektroskopisch zu untersuchen. Die kernmagnetische Resonanz (NMR) ist ein vielseitiges Werkzeug zur Analyse der Dynamik in Flüssigkeiten, hat aber bei Molekülen an Grenzflächen mit Empfindlichkeitsverlust und Linienverbreiterung zu kämpfen. Dynamische Kernspinpolarisation (DNP) bezeichnet eine Reihe von Techniken, die in der Lage sind, NMR-Signale um mehrere Größenordnungen zu verstärken. DNP in Flüssigkeiten bei Raumtemperatur erwies sich als wertvolle Technik, um sowohl NMR-Signale zu verstärken als auch die Flüssigkeitsdynamik und molekulare Wechselwirkungen auf der Picosekunden-Zeitskala zu untersuchen. Allerdings ist dieser Ansatz immer noch auf niedrige Magnetfelder (0,34 T) und auf 1H Kernspins bei der Detektion beschränkt. Neuere Entdeckungen zeigten ein viel breiteres Potential der Technik: hohe Verstärkungen (~10^2-10^3) bei Feldern von bis zu 9,4 T wurden bei 13C und 31P in kleinen Molekülen gemessen, welchen organische Radikale als Polarisationstransfer Agens (PA) zugegeben wurden. Mechanistische Studien zeigten, dass schnelle molekulare Kollisionen und strukturelle Umorientierungen einen effizienten Polarisationstransfer fördern und stärker zum Tragen kommen könnten, sobald die Mobilität des Zielmoleküls oder Radikals eingeschränkt ist.Mit diesem Projekt zielen wir darauf ab, die Möglichkeiten von DNP in Flüssigkeiten in die Richtung einer schnellen und empfindlichen Charakterisierung heterogener Materialien und Grenzflächen zu erweitern. Wir werden eine mechanistische Studie über den Polarisationstransfer durchführen, wenn entweder das Zielmolekül oder die PAs an die Oberfläche eines Nanopartikels gebunden sind. Dies wird uns das notwendige Verständnis für DNP-Mechanismen auf der Zeitskala langsam modulierter Wechselwirkungen liefern. DNP-NMR-Experimente werden bei bis zu 9,4 T durchgeführt, wo die DNP-Verstärkung mit der Auflösung der chemischen Verschiebung gekoppelt werden kann. Um die prinzipielle Machbarkeit der Studie zu zeigen, werden Experimente an Goldnanopartikeln durchgeführt. Diese werden mit einer Monolage funktioneller Gruppen beschichtet, die selektiv Moleküle an der Oberfläche binden können. Auf diese Weise wollen wir die PAs als lokale Sonden auf der Oberfläche verwenden, um die Dynamik der Flüssigkeit an der Oberfläche zu analysieren und dabei die Bindungsmechanismen und die transienten Wechselwirkungen zu verstehen.Dieses Projekt wird ausschlaggebend dafür sein zu zeigen, wie DNP-NMR in Flüssigkeiten zur Untersuchung von Grenzflächen zwischen fester und flüssiger Phase genutzt werden kann. Das Ergebnis dieses Projekts wird eine neue Klasse von Experimenten ermöglichen, um spezifische Probleme in der Materialwissenschaft, Katalyse und Sensorik anzugehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen