Kernmagnetische Relaxationsdispersionsuntersuchungen zu nano- und mikroskopischen Effekten an Oberflächen

• Applicant: Professor Dr. Rainer Kimmich
• Subject Area: Preparatory and Physical Chemistry of Polymers
• Term: from 2000 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5241235

• Final Report Year: 2008

Final Report Abstract

Die molekulare Dynamik unter nano- oder mikroskopischen Einschränkungen wurde hauptsächlich mit Hilfe der Field-Cycling-NMR Relaxationsspektroskopie und Feld- Gradienten-NMR-Methoden in Polymerschmelzen und niedermolekularen Flüssigkeiten untersucht. Der sog. Korsett-Effekt in Polymerschmelzen unter geometrischen Einschränkungen bis fast hundert Nanometer wurde im Detail untersucht und als Effekt der endlichen Systemgröße gedeutet. Die Theorie erklärt insbesondere den Übergang vom Rouse-Verhalten kurzer Ketten zu Reptation bei den genannten Einschränkungen. Die Konsequenzen für mögliche Modellvorstellungen in uneingeschränkten Schmelzen wurden aufgezeigt. Die hydrodynamische Dispersion in porösen Gläsern wurde sowohl auf der Zeitskala der Spin-Gitter-Relaxation als auch derjenigen, der Feld-Gradienten-NMR untersucht. Neben druckinduziertem Fluss wurde dazu auch der elektroosmotische Effekt eingesetzt. Es konnten sowohl sub- als auch superdiffusive Transportanomalien aufgezeigt werden. Das Projekt hat vielfältige und vielversprechende Perspektiven für zukünftige und darauf aufbauende Fortsetzungsarbeiten eröffnet, die zum Teil auch schon von anderen Arbeitsgruppen aufgegriffen wurden. Wegen der tiefgreifenden Umstrukturierung der Fakultät für Natun/vissenschaften ist eine Fortsetzung des mit diesem Projekt angesprochenen Forschungsgebietes und der damit verknüpften Methodik in Ulm bedauerlichereise nicht mehr möglich.

Publications

• "Anomalous displacement laws in porous media and polymers probed by nuclear magnetic resonance techniques", R. Kimmich, N. Fatkullin, M. Kehr, Y. Li, in Anomalous Transport - Foundations and Applications, R. Klages, G. Radons, I. M. Sokolov (Eds), Wiley-VCH, Weinheim, 2008
  
  
• "Chain dynamics in mesoscopically confined polymer melts. A fieldcycling NMR relaxometry study", R. Kausik, C. Mattea, R. Kimmich, N. Fatkullin, Eur. Phys. J., Spec. Topics 141 (2007) 234 - 241
  
  
• "Confinement effect of chain dynamics in micrometer thick layers of a polymer melt below the critical molecular weight", R. Kausik, C. Mattea, N. Fatkullin. R. Kimmich, J. Chem. Phys. 124 (2006)
  
  
• "Cooperative polymer dynamics under nanoscopic pore confinements probed by field-cycling NMR relaxometry", N. Fatkullin, R. Kausik, R. Kimmich, J. Chem. Phys. 126 (2007)
  
  
• "CYCLCROP indirect '^C mapping for long-time and chemical-shift selective diffusion measurements in complex hydrocarbon systems", E. Kossel, R. Kimmich, Solid State NMR 28 (2005) 233 - 237
  
  
• "Deuteron and proton spin-lattice relaxation dispersion of polymer melts: Intrasegment, intrachain, and interchain contributions", Markus Kehr, Nail Fatkullin, Rainer Kimmich, J. Chem. Phys. 127 (2007)
  
  
• "Effect of hydrodynamic flow on low-field spin-lattice relaxation in liquids in the nanoscopic vicinity of solid surfaces: Theory and Monte Carlo simulations of model pore spaces"; C. Mattea, H. Tiraboschi, R. Kimmich, Phys. Rev. E 72 (2005)
  
  
• "Field-gradient NMR diffusometry in poly(ethylene oxide) melts confined to nanoscopic pores of solid methacrylale matrices", E. Fischer, U. Beginn, N. Fatkullin, R. Kimmich, Magn. Reson. Imaging 23 (2005) 379 - 381
  
  
• "Flow measurements below 50 ^m: NMR microscopy experiments in lithographic model pore spaces", E. Kossel, R. Kimmich, Magn. Reson. Imaging 23 (2005)
  
  
• "Flow-enhanced molecular reorientations and interfacial slip probed by field-cycling NMR relaxometry in microscopic pores", C. Mattea, R. Kimmich. Phys. Rev. Letters 94 (2005)
  
  
• "Investigations of polymer dynamics in nanoporous media by field cycling NMR relaxometry and the dipolar correlation effect", R. Kausik, N. Fatkullin, N. Hüsing, R. Kimmich, Magn. Reson. Imaging 25 (2007) 489 - 492
  
  
• "Molecular diffusion on a time scale between nano- and milliseconds probed by field-cycling NMR relaxometry of intermolecular dipolar interactions: Applications to polymer melts", Markus Kehr, Nail Fatkullin, Rainer Kimmich, J. Chem. Phys. 126 (2007)
  
  
• "NMR study of the vapor phase contribution to diffusion in partially filled silica glasses with nanometer and micrometer pores", I. Ardelean, G. Farrher, C. Mattea, R. Kimmich, Magn. Reson. Imaging 23 (2005) 285 - 289
  
  
• "Numerical study of dynamical properties of entangled polymer melts in terms of renomialized Rouse models", M. A. Kroutieva, N. F. Fatkullin, R. Kimmich, Polym. Sei., Ser. A, 47 (2005) 1022 - 1031
  
  
• "Polymer chain dynamics under nanoscopic confinements". R. Kimmich, N. Fatkullin, C. Mattea, E. Fischer, Magn. Reson. Imaging 23 (2005) 191-196
  
  
• "Probing four orders of magnitude of the diffusion time in porous silica glass with unconventional NMR techniques", G. Farrher, I. Ardelean, R. Kimmich, J. Magn. Reson. 182 (2006) 215 - 220
  
  
• "Sub- and superdiffusive molecular displacement laws in disordered porous media probed by nuclear magnetic resonance". Y. Li, G. Farrher, R. Kimmich, Phys. Rev. E 74 (2006)
  
  
• "Thermodynamic limitations ofthe reptation model", N. Fatkullin, R. Kimmich, Macromol. Symp. 237 (2006) 69 - 72