Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

11.12.2017

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe 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


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

Foto: Thomas Meier

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.

NMR-Spektroskopie an der Universität Bayreuth

Die magnetische Kernresonanzspektroskopie wird an der Universität Bayreuth sowohl in der physikalischen als auch in der strukturbiologischen Forschung eingesetzt. Auf dem Bayreuther Campus befindet sich das weltweit leistungsfähigste NMR-Spektrometer. Es handelt sich um ein hochauflösendes Spektrometer der Feldstärke 23,4 Tesla, dies entspricht einer Protonenresonanzfrequenz von einem GHz. Der Lehrstuhl für Biopolymere, das Forschungszentrum für Bio-Makromoleküle sowie die ALNuMed setzen die NMR-Spektroskopie in enger Kooperation auf vier Forschungsfeldern ein: HIV/Aids, Antibiotika, Allergene und Lebensmittelanalytik.

Veröffentlichung:

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, DOI: 10.1126/sciadv.aao5242

Interview mit Dr. Thomas Meier, Universität Bayreuth, in “Welt der Physik”:
http://www.weltderphysik.de/gebiet/stoffe/news/2017/kernspinresonanz-unter-hochd...

Kontakt:

Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
Universitätsstr. 30
95447 Bayreuth
Telefon: +49 (0)921 / 55 -3736 oder -3707
E-Mail: Leonid.Dubrovinsky@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Wie bioökonomisch optimierte Ressourcen- und Energiekreisläufe bei der Produktion nachhaltiger Lebensmittel helfen
14.02.2020 | Technische Universität Chemnitz

nachricht Von der Natur für die Creme-Dose: neues Verfahren aus dem LIKAT auf der Basis von Zuckerrohr
31.01.2020 | Leibniz-Institut für Katalyse e. V. an der Universität Rostock

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Transparente menschliche Organe ermöglichen dreidimensionale Kartierungen auf Zellebene

Erstmals gelang es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, intakte menschliche Organe durchsichtig zu machen. Mittels mikroskopischer Bildgebung konnten sie die zugrunde liegenden komplexen Strukturen der durchsichtigen Organe auf zellulärer Ebene sichtbar machen. Solche strukturellen Kartierungen von Organen bergen das Potenzial, künftig als Vorlage für 3D-Bioprinting-Technologien zum Einsatz zu kommen. Das wäre ein wichtiger Schritt, um in Zukunft künstliche Alternativen als Ersatz für benötigte Spenderorgane erzeugen zu können. Dies sind die Ergebnisse des Helmholtz Zentrums München, der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und der Technischen Universität München (TUM).

In der biomedizinischen Forschung gilt „seeing is believing“. Die Entschlüsselung der strukturellen Komplexität menschlicher Organe war schon immer eine große...

Im Focus: Skyrmions like it hot: Spin structures are controllable even at high temperatures

Investigation of the temperature dependence of the skyrmion Hall effect reveals further insights into possible new data storage devices

The joint research project of Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) and the Massachusetts Institute of Technology (MIT) that had previously demonstrated...

Im Focus: Skyrmionen mögen es heiß – Spinstrukturen auch bei hohen Temperaturen steuerbar

Neue Spinstrukturen für zukünftige Magnetspeicher: Die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Skyrmion-Hall-Effekts liefert weitere Einblicke in mögliche neue Datenspeichergeräte

Ein gemeinsames Forschungsprojekt der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat einen weiteren...

Im Focus: Making the internet more energy efficient through systemic optimization

Researchers at Chalmers University of Technology, Sweden, recently completed a 5-year research project looking at how to make fibre optic communications systems more energy efficient. Among their proposals are smart, error-correcting data chip circuits, which they refined to be 10 times less energy consumptive. The project has yielded several scientific articles, in publications including Nature Communications.

Streaming films and music, scrolling through social media, and using cloud-based storage services are everyday activities now.

Im Focus: Nanopartikel können Zellen verändern

Nanopartikel dringen leicht in Zellen ein. Wie sie sich dort verteilen und was sie bewirken, zeigen nun erstmals hochaufgelöste 3D-Mikroskopie-Aufnahmen an BESSY II. So reichern sich bestimmte Nanopartikel bevorzugt in bestimmten Organellen der Zelle an. Dadurch kann der Energieumsatz in der Zelle steigen. „Die Zelle sieht aus wie nach einem Marathonlauf, offensichtlich kostet es Energie, solche Nanopartikel aufzunehmen“, sagt Hauptautor James McNally.

Nanopartikel sind heute nicht nur in Kosmetikprodukten, sondern überall, in der Luft, im Wasser, im Boden und in der Nahrung. Weil sie so winzig sind, dringen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage am 14. und 15. März 2020: „Mach es einfach!“

12.02.2020 | Veranstaltungen

4. Fachtagung Fahrzeugklimatisierung am 13.-14. Mai 2020 in Stuttgart

10.02.2020 | Veranstaltungen

Alternative Antriebskonzepte, technische Innovationen und Brandschutz im Schienenfahrzeugbau

07.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

„Kiss and Run“ zur Abfallverwertung in der Zelle

14.02.2020 | Biowissenschaften Chemie

Kurze Impulse mit großer Wirkung

14.02.2020 | Biowissenschaften Chemie

ESO-Teleskop sieht die Oberfläche des schwächelnden Beteigeuze

14.02.2020 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics