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Modernste Charakterisierungsmethoden für Substanzen und Materialien

Ein Haus für Spinner

von Prof. Dr. Lambert Alff, Prof. Dr. Christina M. Thiele

Bei der Herstellung von Materialien oder Substanzen will man meist bestimmte Eigenschaften wie z. B. die Funktionsweise eines Moleküls, die elektrische Leit fähigkeit oder den Magnetismus optimieren. Häufig muss man die Struktur variieren, um bestimmte Parameter zu verbessern. Das Wissen über den Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften ist daher essenziell für viele Bereiche der Biologie, Chemie, Pharmazie, Medizin, Physik und Materialwissenschaft.

Die Technische Universität Darmstadt feierte am 26. November 2012 an der Lichtwiese das Richtfest eines Gebäudes, in dem modernste Charakterisierungsmethoden für Substanzen und Materialien gebündelt sind. Das Laborzentrum wird unter anderem NMRGeräte der Gruppen Buntkowsky und Thiele (Chemie), sowie MagnetKryostaten der Gruppen Alff und Gutfleisch (Materialwissenschaft) beherbergen. Sie alle betreiben Analytik mithilfe von Spins. Der Spin ist ein rein quantenmechanisches, winziges magnetisches Moment von Teilchen, das einerseits ganz wesentlich die magnetischen der Gruppen Alff und Gutfleisch (Materialwissenschaft) beherbergen. Sie alle betreiben Analytik mithilfe von Spins. Der Spin ist ein rein quantenmechanisches, winziges magnetisches Moment von Teilchen, das einerseits ganz wesentlich die magnetischen Eigenschaften von Materie bestimmt. Andererseits kann man den Spin auch hervorragend nutzen, um strukturelle Eigenschaften präzise zu vermessen.

Alle Labore nutzen eine gemeinsame Infrastruktur, mit der das Helium für die Kühlung der supraleitenden Magnete ressourcenschonend wiedergewonnen wird. Durch die spezielle und abgestimmte Aufstellung der Kryostaten wird sichergestellt, dass die extrem empfindlichen Messmethoden sich nicht gegenseitig stören.

Bei der NMR-Spektroskopie (nuclear magnetic resonance, kernmagnetische Resonanz) handelt es sich um eine Charakterisierungsmethode, die den Spin von Atomkernen nutzt, um Informationen über die Verknüpfung und räumliche Anordnung von Atomen zu erhalten (relative Anzahl der Atome, chemische Umgebung, Anzahl und Art von Nachbarspins etc.). Da die bei dieser spektroskopischen Methode verwendeten Übergänge zwischen Energieniveaus mit sehr kleinen Energiedifferenzen ein hergehen, sind starke Magnetfelder und/ oder spezielle Polarisationstechniken, wie es das kürzlich von der DFG bewilligte DNP-NMR-Spektrometer (DNP = Dynamische Kernspinpolarisation) nutzt, erforderlich. Bei der Planung des Neubaus wurden die damit verbundenen baulichen Anforderungen durch einen speziellen Anbau berücksichtigt.
Die mit der NMR-Spektroskopie untersuchten Objekte können in flüssiger (Thiele) und fester Phase (Buntkowsky) vorliegen. Es kann sich dabei um Biomoleküle (Proteine, Peptide, (Oligo)Saccharide), biologisch aktive Verbindungen (z. B. Naturstoffe, synthetisierte organische Moleküle) oder Katalysatoren handeln. Dazu nutzen beide Arbeitsgruppen richtungsabhängige (=anisotrope) NMRParameter wie die dipolare Kopplung. Bei der Untersuchung in Lösung kann zusätzlich zur starren räumlichen Verknüpfung von Atomen auch ihre interne Beweglichkeit untersucht werden. Diese kann für das Verständnis der involvierten biologischen oder katalytischen Prozesse essenziell sein.
In den Arbeitsgruppen Alff und Gutfleisch werden jene Spins genutzt, die mit den Elektronen von metallischen Elementen in magnetischen Werkstoffen verbunden sind. Dabei geht es um die Optimierung der magnetischen Eigenschaften z. B. von Permanentmagneten und Materialien für die so genannte Spinelektronik, die ebenfalls an die Struktur der Materialien gekoppelt sind. Im Magnetlabor werden verschiedene magnetische Messmethoden zum Einsatz kommen. Die Magnetisierung von Volumenproben bis hin zu kleinsten Nanoteilchen können in zwei hochempfindlichen supraleitenden Quanteninterferenzgeräten (SQUID) gemessen werden. In einer Reihe weiterer abgeschirmter Magnetkryostaten können andere Probeneigenschaften als Funktion des angelegten Feldes (bis 14 Tesla) und variabler Temperaturen (300 mK bis 400 K) mit verschiedensten Probeneinsätzen bestimmt werden.

Ein wichtiges Forschungsziel ist derzeit die Suche nach neuen magnetischen Materialien, die es erlauben, kostengünstig und nachhaltig Permanentmagnete zu bauen, wie sie im Bereich der erneuerbaren Energien z.B. in Windrädern häufig zum Einsatz kommen. Dafür ist ein Verständnis des Zusammenspiels mikround nanostruktureller Eigenschaften und des magnetischen Hystereseverhalten erforderlich. In den Hallen des Forschungsneubaus wird dazu ein gemeinsames Labor mit der FraunhoferProjektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) entstehen.

Foto: © Katrin Binner / TU Darmstadt