Wasserstoffbrückenbindungen unter Extremen Bedingungen: Kernquanteneffekte und Symmetrisierung der Wasserstoffbrückenbindung untersucht mit 1H-NMR in Diamantstempelzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Leonid Dubrovinsky, seit 7/2021
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421754429

Wasserstoffbrücken sind in der Natur allgegenwärtig und beeinflussen häufig strukturelle und elektronische Eigenschaften von wasserstoffverbrückten Materialien in einem Ausmaß, das noch nicht vollständig verstanden ist. Diese Klasse von Materialien enthält zahlreiche Mineralien und Materialien innerhalb der Erde und planetarer Körper. Daher sind Untersuchungen von H-Brücken unter hohen Drücken nicht nur für die Grundlagenphysik und Chemie, sondern auch für die Geo- und Planetenwissenschaften im makroskopischen "globalen Maßstab" von großer Bedeutung. In den vorliegenden Projekt werden diese selten beobachteten druckinduzierten Kernquanteneffekte, die bereits bei Umgebungstemperaturen auftreten, am Beispiel von Hochdruckeis und wasserhaltigen Mineralien mittels einer neu entwickelten Hochdruck-NMR-Technik in Diamant-Stempelzellen (DACs) untersucht. Diese Methode bietet einen einzigartigen Blickwinkel dieser exotischen Quantenphänomene, die mit vergleichbaren spektroskopischen Methoden, die in der Hochdruckforschungsgemeinschaft verwendet werden, nicht nachgewiesen werden können.Insbesonderen soll der exotische Übergang von Hochdruck-Eis VII zu X in einem Druckbreiech zwischen 70 und 150 GPa untersucht werden. Innerhalb dieses Druckes ermöglicht das symmetrische Doppelmuldenpotential der Wasserstoffbrücke ein Tunneln der Protonen durch die Energiebarriere. Die Aufklärung dieser Effekte könnte einige der umstrittensten Fragen in modernen Hochdruckwissenschaften beantworten, wie den Wasserstofftransport in Regionen des Erdinneren.Es wird erwartet, dass die Wasserstoffbrückenbindungssymmetrisierung ein allgemeines Merkmal beim Hochdruckverhalten verschiedener Verbindungen (insbesondere delta-AlOOH, MgSi2O6H2, FeOOH) ist. Durch Untersuchung dieser Materialien bei Megabar-Drücken mittels NMR (und komplementären Techniken wie Einkristall-Röntgenbeugung und Raman sowie IR Spektroskopie) werden generelle physikalische Effekte in diesen Systemen untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Thomas Meier, bis 6/2021