Entwicklung von DNP verstärkten Festkörper-NMR-Techniken zur Oberflächenanalytik funktionalisierter Cellulose basierender Materialien

• Antragsteller: Professor Dr. Torsten Gutmann
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429632542

Funktionalisierte Cellulose basierte Materialien besitzen ein breites Anwendungsspektrum im Bereich der Mikrofluidik und Sensorik. Ihre Optimierung für spezielle Anwendungen erfordert detaillierte Kenntnis der lokalen Strukturen, sowie der Oberflächenfunktionalisierung und ihrer Wechselwirkung mit Fluiden. Hierfür sind Analysetechniken notwendig, die eine Charakterisierung auf der molekularen Ebene zulassen. Die Ziele des vorliegenden Folgeantrags sind daher die Weiterentwicklung und Anwendung von Analysetechniken für die Untersuchung funktionalisierter Cellulose basierenden Materialien. Als wichtiges Werkzeug wird die Dynamische Kernspinpolarisation kombiniert mit Festkörper-NMR eingesetzt. Diese ermöglicht durch geeignete Probenpräparation die selektive Verstärkung von Signalen. Durch die gezielte selektive Verstärkung erscheint es möglich, Strukturen in unterschiedlichen Porenräume in funktionalisierten Cellulose basierenden Materialien zu identifizieren und zu charakterisieren. Aufbauend auf den Erkenntnissen der ersten Förderperiode des Projekts wird die Methodenentwicklung im Bereich der selektiven Verstärkung von Signalen in DNP-Experimenten fortgesetzt. Hierfür werden zunächst definierte Modellsysteme basierend auf porösem Silica bzw. Polymermembranen mit unterschiedlicher Oberflächenfunktionalisierung (hydrophob, hydrophil, ionisch) auf erreichbare Signalverstärkung in 1D DNP NMR Experimente (13C, 29Si, 15N) untersucht, wobei für die Probenpräparation verschiedene Lösungsmittel/Lösungsmittelmischungen mit Radikalen kombiniert und verglichen werden. Die selektiven Signalverstärkungen werden anschließend mit dem makroskopischen Benetzungsverhalten der Proben korreliert, um Erkenntnisse zu Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu erhalten. Diese werden danach für die Charakterisierung komplexer funktionalisierter Cellulosematerialien angewendet. In einem zweiten Schritt wird die Wechselwirkung der Lösungsmittel bzw. der Lösungsmittelmischungen mit den Oberflächenfunktionalisierungen auf verschiedenen Trägern systematisch untersucht, um ein tieferes Verständnis des Mechanismus des Polarisationstransfers in den Systemen zu erhalten. Hierfür werden DNP verstärkte 1H-X HETCOR (X=13C, 29Si, 15N) eingesetzt, sowie Aufbauzeiten Tb und Relaxationszeiten im rotierenden Koordinatensystem T1rho bestimmt. Zuletzt wird der Einsatz von 19F haltigen Molekülen als molekulare Sonden für DNP-Studien lokaler Umgebungen in funktionalisierten Materialien erforscht. Hierfür werden neuartige Matrizen aus fluorhaltigen ionischen Flüssigkeiten als Polarisationsquelle für DNP verstärkte 19F Festkörper-NMR Experimente hinsichtlich ihrer Effizienz untersucht und ihr Potential für Polarisationstransferexperimente auf X-Kerne (X=13C, 29Si, 15N) beleuchtet. Abschließend werden die Erkenntnisse für die Charakterisierung komplexer Cellulose basierter Materialien auf der molekularen Ebene angewendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen