Große Geräte für die Untersuchung kleiner Strukturen

Die Strukturen chemischer Verbindungen – sowohl in Lösungen als auch in Festkörpern – zu kennen, ist Voraussetzung für Chemiker, um Bindungsverhältnisse zu analysieren sowie Rückschlüsse auf die chemische Reaktivität und die physikalischen Eigenschaften zu ziehen.

Diesen Strukturen können Chemiker der TU Chemnitz künftig mit Hilfe zweier sich ergänzender Analytikmethoden auf den Grund gehen: Im Frühjahr 2008 erhielten die Professuren Anorganische Chemie sowie Koordinationschemie insgesamt 700.000 Euro durch das Hochschulbauförderungsgesetz (HBFG), um zwei Großgeräte zu beschaffen. Inzwischen konnten ein hochauflösendes Multikern-NMR-Spektrometer – für die Analyse von Molekülen in Lösung – und ein Transmissionsröntgenpulverdiffraktometer – für die Analyse von Festkörpern – in Betrieb genommen werden. „Die chemischen und physikalischen Eigenschaften einer Substanz in Lösung und im Festkörper können sich stark unterscheiden, sodass erst der Einsatz beider Methoden zu einer umfassenden Strukturanalyse führt“, erklärt Prof. Dr. Heinrich Lang, Inhaber der Professur Anorganische Chemie. Auch für theoretische Chemiker sind die Ergebnisse dieser Analyseverfahren wichtig; sie brauchen sie als Startbedingungen für Modellrechnungen.

Die hochauflösende Kernresonanzspektroskopie ist eine Methode zur zerstörungsfreien Aufklärung der Struktur und Dynamik von kleinen Molekülen bis zu Makromolekülen und Proteinen in Lösungen. Im Vordergrund stehen dabei Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Molekülen und zu deren strukturellen Aufbau. „Mit dem neuen Gerät können auf Grund der hohen Feldstärke bisher bei uns nicht mögliche spezielle Messungen von beispielsweise extrem schwer löslichen Verbindungen, komplizierten Makromolekülen oder auch von Verbindungen mit schwer messbaren Kernen im unteren Frequenzbereich durchgeführt werden“, erklärt Lang und ergänzt: „Die Anschaffung eines solchen Spektrometers mit 500 Megahertz ist in Kombination mit dem ebenfalls neu angeschafften Röntgendiffraktometer eine Investition in die Zukunft des Universitätsstandortes Chemnitz.“ So werden die Geräte auch eingesetzt, um den durch steigende Studierendenzahlen im Fach Chemie wachsenden Messbedarf zu bewältigen. Für die Forschung ermöglicht das NMR-Spektrometer unter anderem Tief- und Hochtemperaturmessungen von minus 100 bis plus 150 Grad Celsius. „Vor allem sind die Messungen in wesentlich kürzerer Zeit, mit geringerem Aufwand und besserer Auflösung möglich, als dies mit unserer bisherigen Laborausstattung der Fall war“, erläutert Lang.

Die Röntgenpulverdiffraktometrie ermöglicht die Untersuchung der Zusammensetzung und der Struktur von kristallinen Stoffen. Handelt es sich bei der Probe um eine bekannte Reinsubstanz, können die Ergebnisse mit Hilfe von Datenbanken für bekannte Substanzen identifiziert werden. Besteht die Probe aus mehreren bekannten Substanzen, kann darüber hinaus auch der jeweilige Anteil quantitativ bestimmt werden. „Viele für die Festkörperforschung und Materialwissenschaften interessante Verbindungen sind noch nicht strukturell charakterisiert worden. Dies überrascht, wenn man bedenkt, wie eng der Zusammenhang zwischen Kristallstruktur auf der einen und physikalischen sowie chemischen Eigenschaften auf der anderen Seite ist“, so Prof. Dr. Michael Mehring, Inhaber der Professur Koordinationschemie. „Die Entwicklung neuer Materialien basierend auf dem Konzept des Crystal Engineering, das die Kenntnis möglichst vieler verwandter Kristallstrukturen voraussetzt, ist aus der Katalysator-, Keramik-, Polymer- und Arzneimittelforschung nicht mehr wegzudenken“, erläutert Mehring die Bedeutung des Forschungsgebietes, für das seiner Professur jetzt ein leistungsfähiges Transmissionspulverdiffraktometer zur Verfügung steht, wodurch sich unter anderem viele Messungen beschleunigen lassen und auch Untersuchungen bei sehr kleinen Substanzmengen möglich werden. Darüber hinaus können temperaturabhängige Kristallisationsprozesse, Phasenumwandlungen und Zersetzungsprozesse im Temperaturbereich von minus 100 bis 1000 Grad Celsius studiert werden.

Weitere Informationen erteilen Prof. Dr. Heinrich Lang, Telefon 0371 531-21210, E-Mail heinrich.lang@chemie.tu-chemnitz.de, und Prof. Dr. Michael Mehring, Telefon 0371 531-21250, E-Mail michael.mehring@chemie.tu-chemnitz.de