Die Grundlage der kernmagnetischen Resonanz (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) bilden die Wechselwirkungen von Atomkernen, die ein magnetisches Moment besitzen, mit anliegenden Magnetfeldern. Ein starkes statisches Magnetfeld B0 führt zur Zeeman-Aufspaltung, d.h. die verschiedenen quantenmechanisch erlaubten Orientierungen der kernmagnetischen Momente im Feld unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Energie.

Technische Umsetzung

Der Energieunterschied dieser Zeeman-Niveaus entspricht der Larmor-Frequenz, die üblicherweise im MHz-Bereich liegt. Ein schwächeres magnetisches Wechselfeld B1, das in Form kurzer Pulse angelegt wird, induziert Übergänge zwischen den Zeeman-Niveaus, falls die Resonanzbedingung erfüllt ist. Das einige Tesla starke B0-Feld lässt sich mit Hilfe von großen supraleitenden Spulen generieren, die mit flüssigem Helium gekühlt werden. Das B1-Feld erzeugt eine kleinere um die Probe gewickelte Spule, die Teil eines Schwingkreises ist.

Einblick in die molekulare Dynamik

Zur Untersuchung molekularer Dynamik mittels NMR nutzt man aus, dass die Zeeman-Niveaus und folglich die Resonanzfrequenzen aufgrund zusätzlicher Wechselwirkungen der Atomkerne mit inneren Feldern auch von den molekularen Orientierungen und Positionen abhängen. Molekulare Rotations- oder Translationsdynamik führt deshalb zu einer detektierbaren Zeitabhängigkeit der Resonanzfrequenzen.

Unsere Anwendungen

Wir kombinieren verschiedene NMR-Methoden, um molekulare Dynamik in breiten Bereichen von Zeit- und Längenskalen zu untersuchen. Die Field-Cycling-Relaxometrie erlaubt z.B. ein Studium schnellerer Dynamik im Piko- bis Mikrosekundenbereich und Stimulierte-Echo-Experimente ermöglichen eine Analyse langsamer Bewegungsprozesse im Mikro- und Millisekundenbereich. Legt man ähnlich wie in klinischen bildgebenden Anwendungen (MRT) zusätzlich einen magnetischen Feldgradienten an, hängen die Resonanzfrequenzen vom Ort ab. Wir nutzen diesen Effekt zur Messung molekularer Diffusionskoeffizienten. Ferner erlaubt die räumliche Variation der Resonanzfrequenz ortsaufgelöste Untersuchungen strukturell heterogener Komposit-Materialien.

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