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Spektroskopie dynamisch ungeordneter Festkörper
Prof. Dr. Roland Böhmer


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Experimentelle Physik III - Arbeitsgruppe Prof. R. Böhmer


Themen für Bachelor- und Masterarbeiten


1. Protonendynamik atmosphärischer Eisphasen

In der höheren Atmosphäre spielen neben Wassereis auch hydrierte Säuren eine wichtige Rolle. Allerdings ist über deren Dynamik bisher wenig bekannt. Ziel der Arbeiten ist daher die Präparation und Untersuchung entsprechender Hydrate. Dabei soll die Temperaturabhängigkeit der Diffusion und anderer Transporteigenschaften in Abhängigkeit des H2O-Anteils ermittelt und mit geeigneten Modellen ausgewertet werden.



© NASA

2. Perkolation des Wasserstoffbrückennetzes in Alkoholen

Die Struktur und Dynamik vieler Substanzen in unserer Umwelt wird durch Wasserstoffbrücken bestimmt. Ihre Eigenschaft sich mit thermischen Energien öffnen und schließen zu lassen, ist von zentraler Bedeutung für biophysikalische Systeme. Alkohole mit genau einer OH-Gruppe stellen die einfachste Form organischer Moleküle dar, die intermolekulare H-Brücken ausbilden und können somit als Modellsysteme für Wasser verstanden werden. Ziel dieses Projektes ist es zu erforschen, wie sich durch Mischung mit geeigneten Netzwerkwandlern das H-Brückennetz destabilisieren lässt. Die daraus resultierende Veränderung der H-Brückendynamik soll mit der Breitbandspektroskopie und der Magnetresonanz nachgewiesen werden.


3. Polymerketten als nanoskalige dynamische Sonden

Um Informationen über Bewegungen auf der Nanometerskala zu erhalten, sollen in diesem Projekt Polymere mit unterschiedlichen Kettenlängen eingesetzt werden. Dazu sollen die Polymere in reiner Form und als Additiv zu ihrem Monomeren mit der dielektrischen Zeitgebietsspektroskopie, mit der Frequenzganganalyse und mit der Radiofrequenz-Reflektometrie untersucht werden. Die Daten dienen als Grundlage, um mögliche Abweichungen zu theoretischen Vorhersagen zu überprüfen.


4. Hydrat-Clathrate: Nano-Speicher für kleine Moleküle

Hydrat-Clathrate sind aus Wassermolekülen aufgebaute Festkörper-Käfigstrukturen, die durch Einlagerung kleiner Gastmoleküle stabilisiert werden. Diese Verbindungen sind für die Speicherung technisch relevanter Gäste geeignet, wenn das Wirtsgitter eine entsprechende Porenstruktur und hinreichende Stabilität aufweist. Den Wechselwirkungen zwischen den Gästen und mit dem Gitter kommt dabei eine hohe Bedeutung zu, so dass es sich anbietet sowohl Gitter als auch Gäste gezielt zu variieren. Ziel der Arbeit ist es entsprechend dotierte Kristalle zu züchten, ihre Zusammensetzung zu überprüfen und ihre dynamischen Eigenschaften spektroskopisch zu untersuchen.




5. Numerische Simulation molekularer Bewegungen in Festkörpern

Moleküle und Ionen können in kondensierter Materie eine komplexe Abfolge von Rotations- und Translationsbewegungen ausführen. Diese Dynamik untersuchen wir mit Hilfe von Zwei-Zeit-Korrelationsfunktionen im Labor und durch Simulation geeigneter Bewegungsmodelle zusätzlich in Computer-Experimenten. Ziel der Arbeit ist es, die vorhandene Simulationssoftware weiter zu optimieren und auf aktuelle Forschungsprojekte anzupassen. Sie sollten Spaß am Programmieren mitbringen.


6. Wasserstoffbrückeninduzierte Strukturbildung in Festkörpern und Flüssigkeiten

Wasserstoffbrückenbindungen spielen eine wichtige Rolle in der Biophysik, etwa bei der inter- und intramolekularen Stabilisierung von Polypeptiden (z.B. DNS und Proteine) und sie sind die Ursache für die starke Mikrowellenabsorption von Wasser. Trotz der einfachen Molekülstruktur von H2O ist dessen Wasserstoffbrückendynamik in Flüssigkeit und Festkörper auch heute noch weitgehend unverstanden. Dieses Problem kann durch geeignete Modellsysteme umgangen werden. Modellsysteme, die wir in unserer Arbeitsgruppe erforschen, sind Alkohole und sekundäre Amide, die ebenfalls Wasserstoffbrücken ausbilden können. Wir nutzen dazu unter anderem die Nah-Infrarot-Spektroskopie, welche einen direkten Zugriff zur OH- bzw. NH-Gruppe gestattet. Ziel der Arbeit ist es, durch spezielle Nah-Infrarot-Experimente die Strukturbildung durch Wasserstoffbrückenbindungen und deren Dynamik in unterschiedlichen Modellsystemen zu untersuchen.


7. Spindynamik-Simulation zur Anwendung auf Ionenleiter

Um die Bewegung von Ionen in Festkörpern mit der magnetischen Resonanz zu untersuchen, entwickeln wir neue Messmethoden. Während bisher das für Akkus wichtige Lithium im Vordergrund stand, sollen die Experimente nun auf Kerne wie Natrium ausgedehnt werden. Um die Messungen optimal durchführen zu können, ist es sinnvoll, zuvor die Zeitentwicklung der Kernspinzustände unter dem Einfluss verschiedener Wechselwirkungen zu berechnen. Dazu sind vorhandene symbolische Algebra-Programme (z.B. in Mathematica) zu modifizieren. Spezielle NMR-Vorkenntnisse sind nicht erforderlich, aber Spaß an der Quantenmechanik.



Genauere Informationen zu diesen Projekten und bei Interesse auch zu weiteren Forschungsthemen gibt es bei Prof. Böhmer und insbesondere auch bei den Mitarbeitern der Arbeitsgruppe, die entsprechende Themen in ihren Diplom- oder Doktorarbeiten bearbeiten.