Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kernspinresonanz mit niedrigen Magnetfeldern

20.07.2015

Jülicher Forscher erhöhen Empfindlichkeit von NMR-Messungen durch neuen Empfänger

Ein kleines Bauteil, das Messsignale verstärkt und störendes Rauschen unterdrückt – das präsentieren Jülicher und Aachener Forscher in der aktuellen Ausgabe von "Nature Physics". Entwickelt haben sie es für Kernspinresonanz-Messungen in der Batterieforschung.


Prototyp des Niederfeld-NMR-EmpfängersPrototyp des Niederfeld-NMR-Empfängers

Copyright: Forschungszentrum Jülich

Die Technik wird typischerweise etwa für bildgebende Verfahren in der Medizin (MRT) oder die Analyse von Molekülstrukturen in der Biologie und Chemie (NMR) eingesetzt. Der neue Empfänger ermöglicht eine hohe Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen auch ohne extrem starke und teure Magnete, die normalerweise für präzise Messungen benötigt werden.

Seit einigen Jahren arbeiten Forscher an der kleinen Schwester der etablierten Hochfeld-NMR, der Niederfeld-NMR. Während bei der Hochfeld-NMR (Nuclear Magnetic Resonance) immer stärkere Magnete immer mehr Informationen liefern sollen, geht die Niederfeld-NMR den entgegengesetzten Weg:

Schwächere Magnete sollen vergleichbare Ergebnisse liefern wie die großen Elektro- oder supraleitenden Magnete. Das ist nicht nur deutlich preiswerter, die Geräte wären auch deutlich kompakter und entsprechend gut zu transportieren. So ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten, an die bislang nicht zu denken war.

Die Geräte könnten beispielsweise mobil in der Medizin, zur Überwachung von Umwandlungsprozessen in der chemischen Industrie oder zur Analyse bei Erdölbohrungen zum Einsatz kommen. Von der neuen Methode könnte insbesondere auch die Batterieforschung profitieren:

"Wir wollen damit Lithium-Ionen Batterien untersuchen. Es gibt bisher kaum Möglichkeiten, um im laufenden Betrieb an gebrauchsfertigen Batterien die ablaufenden elektrochemischen Prozesse zerstörungsfrei zu verfolgen. Mit dieser Methode könnte das gelingen", berichtet Martin Süfke, Doktorand am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9).

Das Jülich-Aachener Wissenschaftler-Team hatte bereits in der Vergangenheit verwandte Techniken entwickelt, die auch ohne starke Magnetfelder hochauflösende NMR-Spektroskopie ermöglichen. "Wir konnten sogar schon mit höchster Genauigkeit im Erdmagnetfeld messen. Aber die Analyse der Spektren war vergleichsweise aufwändig", sagt Prof. Stephan Appelt, der am Jülicher Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-2) und als Professor an der RWTH Aachen arbeitet. Gemeinsam mit seinem Aachener Kollegen Prof. Bernhard Blümich hat er die Verfahren auf den Weg gebracht.

"Dem Prototyp des Niederfeld-NMRs, den wir jetzt entwickelt haben, liegt dagegen ein neues, sehr einfaches Konzept zugrunde", erklärt Appelt. Noch existiert das Gerät nur als etwa handtaschengroßer Prototyp. "Weitere technologische Entwicklungen könnten es in Zukunft ermöglichen den Prototypen auf Handyformat zu schrumpfen", sagt Appelt.

Entscheidendes Bauteil ist der sogenannte externe Resonator, ein rauscharmer ferromagnetischer Kern umwickelt mit einer Spule, dazu ein Kondensator. "Das Funktionsprinzip gleicht dem eines unglaublich empfindlichen Lang- und Mittelwellenradios", erklärt Süfke. "Entscheidend ist, dass der Empfangskreis das Messsignal erheblich mehr verstärkt als das störende Rauschen, dadurch wird die gesamte Messung empfindlicher."

Die sehr hohe Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen bringt weitere Vorteile mit sich. "In Zukunft könnte man eine Vielzahl von Elementen nachweisen, die für die chemische Katalyse und Elektrochemie wichtig sind. Dazu gehören etwa Rhodium, Wolfram, Silber und Lithium, deren Messung mit konventionellen Hochfeld-NMRs sehr lange dauert", ergänzt Appelt. Als Fernziel erhoffen sich die Forscher neue Erkenntnisse in der Quantenphysik und Grundlagenforschung.

In ersten Experimenten haben die Forscher bereits eine hundertfache Verstärkung des Messsignals gegenüber herkömmlichen Versuchsanordnungen erreicht. "Wir sind damit bei gleichen Ausgangsbedingungen schon so empfindlich wie ein Hochfeld-NMR bei etwa 10 Tesla", sagt Appelt. "Und wir haben berechnet, dass eine weitere Verbesserung um einen weiteren Faktor Hundert möglich sein müsste." Der Forscher hat mathematische Modelle entwickelt, die das Verhalten des neuen Empfängers beschreiben. Sie helfen den Forschern nun, ihr System gezielt weiterzuentwickeln.

Originalpublikation:
Martin Süfke, Alexander Liebisch, Bernhard Blümich, Stephan Appelt, External high-quality-factor resonator tunes up nuclear magnetic resonance, Nature Physics, (published online 6 July 2015), doi:10.1038/nphys3382
http://dx.doi.org/10.1038/nphys3382

Weiterführende Informationen:
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik, Bereich Systeme der Elektronik (ZEA-2):
http://www.fz-juelich.de/zea/zea-2/DE/Home/home_node.html 
Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9):
http://www.fz-juelich.de/iek/iek-9/DE/Home/home_node.html
Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (ITMC) der RWTH Aachen, Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie:
http://www.mc.rwth-aachen.de/

Ansprechpartner:

Dipl.-Chem. Martin Süfke,
Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Tel. +49 2461 61-4511
E-Mail: m.suefke@fz-juelich.de

Univ. Prof. Dr. rer. nat. Stephan Appelt
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik, Bereich Systeme der Elektronik (ZEA-2)
Tel. +49 2461 61-3884
E-Mail: st.appelt@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Erhard Zeiss, M.A.
Unternehmenskommunikation
Tel.: +49 2461 61-1841
E-Mail: e.zeiss@fz-juelich.de

Erhard Zeiss | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften