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07/04/2024 12:48

Erstmalig Quadrupol-Spins mit Nullfeld-NMR vermessen

Petra Giegerich Kommunikation und Presse
Johannes Gutenberg-Universität Mainz

    Forschenden der JGU und der University of California, Berkeley ist ein entscheidender Schritt in der Nullfeld-Magnetresonanzspektroskopie und damit hin zur Präzisions-Chemie gelungen

    Wie sieht die Struktur eines bestimmten Moleküls aus? Wie wechselwirken Moleküle miteinander? Um solche Fragen zu beantworten, kommt vielfach die Magnetresonanzspektroskopie zum Einsatz. Mit einem starken äußeren Magnetfeld werden die Spins der Atomkerne ausgerichtet und über ein oszillierendes schwaches Magnetfeld – erzeugt von Spulen – zum Rotieren gebracht. Als Resultat ändert sich die Spannung, die sich in eine Frequenz umrechnen lässt. Diese Frequenz lässt auf die Art der Moleküle schließen, zudem verrät sie etwas über die Wechselwirkung der Kernspins. Allerdings sind für diese Untersuchungen hohe Magnetfelder nötig, die sehr große, schwer zu installierende Geräte benötigen. Auch ist es schwierig, Kerne mit einem Quadrupol-Spin zu vermessen. Diese liegen jedoch bei den meisten magnetischen Atomkernen vor.

    Die Nullfeld-Magnetresonanzspektroskopie, kurz Nullfeld-NMR, dagegen kommt ohne das starke äußere Magnetfeld aus – die Kopplungen zwischen den Kernspins magnetisch aktiver Kerne sind die dominante quantenmechanische Wechselwirkung. Die Linien des Spektrums sind somit schmaler und schärfer, auch lassen sich Proben in Gefäßen aus Metall oder anderen Materialien untersuchen. Interessant ist die Nullfeld-Magnetresonanzspektroskopie unter anderem in der metallurgischen Forschung, in der Pflanzenforschung und der Medizin. Um die minimalen Kopplungen messen zu können, muss allerdings das Erdmagnetfeld abgeschirmt werden – eine aufwendige Angelegenheit.

    Einfacher, aber dennoch präziser Versuchsaufbau

    Forschenden der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) ist es gemeinsam mit der University of California, Berkeley nun erstmalig gelungen, mit der Nullfeld-NMR einen Quadrupol-Kern zu vermessen. „Genauer gesagt haben wir ein Ammonium-Molekül, also NH4, analysiert, da dieses für verschiedene Anwendungen sehr wichtig ist“, sagt Dr. Danila Barskiy, Gruppenleiter an der JGU. „Wir hoffen, diese Moleküle künftig selbst in komplexen Umgebungen wie Reaktoren und Metallbehältern nachweisen zu können.“ Anhand von Ammonium entwickelten die Forschenden ein einfaches System: Ammonium-Salz mit Wasser mischen, verschiedene Mengen Deuterium zugeben – und schon können die einzelnen Spektren aufgenommen und analysiert werden. Dazu nutzten die Wissenschaftler ein fingernagelgroßes Device, das auf dem Markt erhältlich ist. Auch ein magnetisch abgeschirmter Raum ist unnötig, es genügt ein magnetisch abgeschirmter kompakter Messaufbau.

    Präzisionsmessungen erlauben eine Überprüfung der Theorien

    Eine weitere interessante Frage, die die Forschenden untersuchten: Wie beeinflusst die Zahl der Deuterium-Atome in einem Ammonium-Molekül das Spektrum und die Relaxationseigenschaften der Spins? „Unsere Methode ermöglicht es, die Resonanzfrequenzen mit höchster Präzision zu bestimmen. Indem diese mit experimentellen Daten verglichen werden, kann die Methode daher als Benchmark für quantenchemische Berechnungen verwendet werden. Wir hoffen gespannt darauf, dass unsere Arbeit in naher Zukunft zur Standardpraxis wird“, erklärt Román Picazo-Frutos, Student am Institut für Physik der JGU und Erstautor der Veröffentlichung. Zwar sagen die derzeitigen Theorien die Ergebnisse des Teams bereits recht gut vorher, dennoch gibt es kleine Abweichungen. „Diese Arbeit erweitert den Bereich der Moleküle, die mit Nullfeld- bis Ultraniedrigfeld-NMR-Techniken analysiert werden können, erheblich und könnte zur Entwicklung neuartiger Anwendungen führen, beispielsweise zur Analyse kleiner Atomkernzahlen über ihren radioaktiven Gammazerfall. Es bleibt noch viel zu tun!“, fasst Prof. Dr. Dmitry Budker von der JGU zusammen.

    Die Ergebnisse wurden kürzlich im renommierten Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

    Bildmaterial:
    https://download.uni-mainz.de/presse/08_physik_quantum_quadrupol_spin.jpg
    NMR-Röhrchen, die mit Flüssigkeiten gefüllt sind
    Foto/©: Oleg Tretiak

    Weiterführende Links:
    https://budker.uni-mainz.de/ - Budker Lab an der JGU
    https://www.hi-mainz.de/ - Helmholtz-Institut Mainz
    https://www.gsi.de/ - GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
    https://zulf.eu/ - Zero- to Ultralow-Field NMR, ITN-Website
    https://blog.zulf.eu/ - Zero- to Ultralow-Field NMR, ITN-Blog

    Lesen Sie mehr:
    https://presse.uni-mainz.de/internationales-team-am-him-mit-erwin-schroedinger-p... - Pressemitteilung „Internationales Team am HIM mit Erwin-Schrödinger-Preis – Wissenschaftspreis des Stifterverbandes ausgezeichnet“ (22.09.2022)
    https://presse.uni-mainz.de/mehr-sicherheit-weniger-kosten-kleine-spektroskopieg... - Pressemitteilung „Mehr Sicherheit, weniger Kosten: Kleine Spektroskopiegeräte kommen immer mehr in Reichweite“ (22.07.2022)
    https://presse.uni-mainz.de/danila-barskiy-erhaelt-sofja-kovalevskaja-preis-zur-... - Pressemitteilung „Danila Barskiy erhält Sofja Kovalevskaja-Preis zur Entwicklung von tragbaren, preisgünstigen Spektroskopiegeräten“ (22.09.2020)


    Contact for scientific information:

    Dr. Danila Barskiy
    Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
    Institut für Physik
    Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
    und Helmholtz Institut Mainz (HIM)
    55099 Mainz
    Tel. +49 6131 39-29631
    E-Mail: dbarskiy@uni-mainz.de
    https://www.barskiylab.com/


    Original publication:

    Román Picazo-Frutos et al.
    Zero-field J-spectroscopy of quadrupolar nuclei
    Nature Communications, 27. Mai 2024
    DOI: 10.1038/s41467-024-48390-2
    https://www.nature.com/articles/s41467-024-48390-2


    Images

    NMR-Röhrchen, die mit Flüssigkeiten gefüllt sind
    NMR-Röhrchen, die mit Flüssigkeiten gefüllt sind

    Foto/©: Oleg Tretiak


    Criteria of this press release:
    Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
    Biology, Chemistry, Medicine, Physics / astronomy
    transregional, national
    Research results, Scientific Publications
    German


     

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