Length scales of dynamic heterogeneities of low and high molecular weight glass formers from multidimensional NMR

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der räumlichen und zeitlichen Aspekte der heterogenen Dynamik in Modellglasbildnern. Dabei wird vor allem die langsame alpha-Relaxationsdynamik oberhalb des Glasüberganges Tg untersucht. Die nukleare Magnetresonanz zeigt ihre einmalige Vielseitigkeit bei der Untersuchung molekularer Dynamik, wenn die angewandten Techniken und Experimente durch Simulationen unterstützt werden. Die räumliche Aspekt dynamischer Heterogenitäten wird untersucht durch ein reduziertes vierdimensionales Spindiffusionsexperiment (4D3CP), ein Experiment, das Reorientierungsraten örtlich korreliert. Eine Simulation dieses Experimentes an einem System harter Kugeln liefert wertvolle Informationen über die Auswertemethode des 4D3CP Experiments. Glycerol und o-terphenyl werden durch das 4D3CP Experiment untersucht. Die erhaltenen Resultate werden mit bereits publizierten Daten des polymeren Glasbildners PVAc verglichen. Während PVAc und o-terphenyl eine Längenskale von 3.7 nm bzw. 2.9 nm aufweisen, ist die Längenskale von Glycerol signifikant kleiner bei 1.1 nm. Ein neues Experiment, welches sensitiv auf Translationsbewegung reagiert, wird vorgestellt. Durch Verwendung eines pi-Impulszuges kann eine separate Evolution unter dem Hamiltonian der dipolaren Kopplung und der chemischen Verschiebungsanisotropie erreicht werden.

The aim of the present thesis is to investigate spatial and temporal aspects of heterogeneous dynamics in model glass formers. Hereby, the emphasis is on the investigation of the slow, alpha relaxation dynamics above the glass transition Tg. Nuclear magnetic resonance reveals its unique versatility in the investigation of dynamics if the applied techniques and experiments are supported with simulations. The spatial aspect of dynamic heterogeneities is investigated using a four-dimensional spin-diffusion technique (4D3CP) - an experiment that spatially correlates relaxation rates. A simulation of this experiment on a hard-sphere system yields valuable information about the analysis procedure of the 4D3CP experiment. Glycerol and o-terphenyl are investigated by the 4D3CP experiment. These findings are compared to results previously published on the polymeric glass former PVAc. While PVAc and o-terphenyl exhibit a length scale of 3.7 nm and 2.9 nm, respectively, glycerol shows a significantly shorter length scale of only 1.1 nm. Finally, a new experiment is proposed that is sensitive to translational motion in a glass former. By using a pi-pulse train, a separation of evolution under the influence of chemical shift anisotropy and homonuclear dipolar coupling can be accomplished.