q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Neue Einblicke in die Materie

Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Thomas Meier

Blick in die offene Hälfte einer Diamantstempelzelle. Darunter ist ein Trimmer-Kondensator (grün) befestigt.

13.12.2017: Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruher Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Die geo- und materialwissenschaftliche Hochdruckforschung ist dafür bekannt, völlig unerwartete und faszinierende Phänomene zu entdecken: Unter extrem hohen Drücken verwandeln sich Materialien, die normalerweise keinen elektrischen Strom leiten, zu Supraleitern; scheinbar einfach aufgebaute Festkörper nehmen plötzliche hoch komplexe Kristallstrukturen an; kleinste Elementarteilchen wie Elektronen und Protonen zeigen unvorhersagbare Eigenschaften. Zu den weltweit führenden Zentren der Hochdruckforschung zählt das Bayerische Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth. 2016 hat ein Forschungsteam des BGI bei materialwissenschaftlichen Experimenten erstmals einen Druck von mehr als einem Terapascal erzeugt – dreimal höher als der Druck, der im Zentrum der Erde herrscht. Diese hohen Drücke werden auf kleinstem Raum in Diamantstempelzellen erzeugt. Darin wird die Materialprobe zwischen den Köpfen zweier Diamanten platziert, die einander exakt gegenüber liegen und gemeinsam einen extrem hohen Druck auf das Material ausüben.

Röntgenkristallographische Verfahren haben auf diese Weise immer wieder zu überraschenden Erkenntnissen über Strukturen und Verhaltensweisen von Materie geführt. Allerdings konnte die NMR-Spektroskopie, die beispielsweise sehr erfolgreich zur Aufklärung der Strukturen und Interaktionen von Biomolekülen angewendet wird, in der Hochdruckforschung bisher nicht eingesetzt werden. Eine technische Hürde stand im Weg: Es war bisher kaum möglich, die für die NMR wichtigen Magnetfelder auf die winzigen Proben in der Diamantstempelzelle zu fokussieren und die dadurch erzeugten Signale zu messen.

Magnetische Linsen, kombiniert mit Diamanten

Im August 2017 aber veröffentlichten Wissenschaftler des Instituts für Mikrostrukturtechnik am KIT eine neue Methode, die es erlaubt, die NMR-Spektroskopie für hochpräzise Untersuchungen auf kleinstem Raum einzusetzen. Hierfür haben sie magnetische Linsen, die nach dem deutschen Physiker Emil Lenz (1804 - 1865) als Lenz-Linsen bezeichnet werden, entsprechend weiterentwickelt. „Diese Forschungsergebnisse aus Karlsruhe haben bei uns in Bayreuth sofort die Überlegung ausgelöst, ob sich Lenz-Linsen in den Diamantstempelzellen so installieren lassen, dass sie NMR-Experimente unter hohen Drücken ermöglichen“, berichtet der Bayreuther Hochdruckforscher Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky. Gemeinsam mit Dr. Sylvain Petitgirard und Dr. Thomas Meier vom BGI hat er mit dem Karlsruher Forschungsteam um Prof. Dr. Jan Korvink Kontakt aufgenommen. In kurzer Zeit gelang es durch intensive Zusammenarbeit, die Diamanten in den Stempelzellen mit den neuen Lenz-Linsen so zu kombinieren, dass die in den Zellen eingeschlossenen Materialproben NMR-spektroskopisch untersucht werden können. In ersten Experimenten wurden die Proben Drücken von 72 Giga-Pascal (720.000 bar) ausgesetzt, wie sie im unteren Erdmantel herrschen.

Neue Perspektiven für Forschung und Innovationen

„Das Portfolio der röntgenkristallographischen Verfahren, die uns bisher für die geo- und materialwissenschaftliche Hochdruckforschung zur Verfügung standen, wird durch die NMR-Spektroskopie jetzt erheblich erweitert. Die möglichen Anwendungsfelder sind noch gar nicht absehbar. Wir können jetzt das Verhalten von Elektronen und Atomkernen in physikalisch und geologisch wichtigen Systemen mit einer viel höheren Präzision untersuchen als bisher“, erklärt Dubrovinsky. „Diese Erkenntnisse können innovative Entwicklungen, beispielsweise in der Energie- oder der Medizintechnik, voranbringen. Vielleicht werden sie uns eines Tages auch dabei helfen, das große Rätsel zu klären, wie das Leben auf der Erde entstanden ist“, meint der Bayreuther Wissenschaftler.

Originalveröffentlichung:
Thomas Meier, Nan Wang, Dario Mager, Jan G. Korvink, Sylvain Petitgirard and Leonid Dubrovinsky; "Magnetic flux tailoring through Lenz lenses for ultrasmall samples: A new pathway to high-pressure nuclear magnetic resonance"; Science Advances; 8 Dec 2017, Vol. 3, no. 12

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • magnetische Linsen
  • Materie

Mehr über Uni Bayreuth

  • News

    Chaos hält warm: Wärmeisolation durch gezielte Unordnung erhöht

    Pulver eignen sich hervorragend für die Wärmedämmung, wenn darin ein Durcheinander von unterschiedlich großen Nanopartikeln herrscht. Dies hat eine Forschungsgruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth jetzt herausgefunden. Die Wissenschaftler haben entdeckt, wie die Wärm ... mehr

    Damit Bildschirme kräftiger leuchten

    Organische Leuchtdioden (OLEDs) werden in Smartphones und TV-Geräten eingesetzt und unterstützen eine kontrastreiche Darstellung von Farben. In diesen Dioden werden als organische Halbleiter oft konjugierte Polymere eingesetzt. Forscher der Universität Bayreuth haben jetzt herausgefunden, w ... mehr

    Hauchdünn wie ein Atom: Ein revolutionärer Halbleiter für die Elektronik

    Halbleiter, so dünn wie ein Atom, sind keine Zukunftsmusik mehr. Der Bayreuther Physiker Prof. Dr. Axel Enders hat gemeinsam mit US-amerikanischen und polnischen Partnern ein zweidimensionales Material entwickelt, das die Elektronik revolutionieren könnte. Aufgrund seiner Halbleiter-Eigensc ... mehr

  • q&more Artikel

    Authentische Lebensmittel

    Authentische Lebensmittel erfreuen sich bei Konsumenten zunehmender Beliebtheit. Ein regionales, sortenreines und/oder speziell hergestelltes Produkt ist in einem stark industrialisierten Markt in steigendem Maß ein Garant für mehr Wertschöpfung. Gerade im Premiumsegment lassen sich durch ö ... mehr

    Mehr als Honig?

    Seit Jahrtausenden ist „Honig“ ein Inbegriff für ein naturbelassenes und gesundes Lebensmittel. Dementsprechend erfreut sich Honig auch bei Konsumenten steter Beliebtheit – gerade in Zeiten, in denen biologische Lebensmittel und eine gesunde Lebensweise aktueller sind als je zuvor. mehr

    Extraportion Zink

    Mächtige Unterarme, Pfeife im Mund, Matrosenhut. In Sekundenschnelle ist die Dose Spinat geöffnet und ­geleert. Mit nun übermenschlicher Kraft geht es in die nächste Rauferei. So kennen wir Popeye, den Seemann. Das Geheimnis seiner Stärke ist der hohe Eisengehalt von Spinat. Mit dieser Vors ... mehr

  • Autoren

    Dr. Christopher Igel

    Jg. 1990, absolvierte von 2009 bis 2013 sein Bachelor-Studium in Biochemie an der Universität Bayreuth. Die Bachelorarbeit zum Thema „Honiganalytik mittels NMR“ fertigte er am Forschungszentrum BIOmac unter der Leitung von Prof. Dr. Schwarzinger an. mehr

    Wolfrat Bachert

    Jg. 1987, begann zunächst ein Studium des Maschinen­baustudium an der TU Dresden, eher er 2009 zum Studium der Biologie an die ­Universität Bayreuth wechselte, wo er 2013 am Lehrstuhl für Biochemie unter der Leitung von Prof. Dr. Wulf Blankenfeldt seine Bachelorarbeit zum Thema „Charakteri­ ... mehr

    Christopher Synatschke

    Christopher Synatschke hat an der Universität Bayreuth und der University of New South Wales, Sydney Chemie mit Schwerpunkt Polymerforschung studiert und ist seit 2009 Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Axel H. E. Müller an der Universität Bayreuth. Seine Forschungsinteressen sind die ... mehr

q&more – die Networking-Platform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:



Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.