Quantum effects and dynamics in hydrogen-bonded systems: a first-principles approach to spectroscopic experiments

Computer simulations have become an important tool in physics. Especially systems in the solid state have been investigated extensively with the help of modern computational methods. This thesis focuses on the simulation of hydrogen-bonded systems, using quantum chemical methods combined with molecular dynamics (MD) simulations. MD simulations are carried out for investigating the energetics and structure of a system under conditions that include physical parameters such as temperature and pressure. Ab initio quantum chemical methods have proven to be capable of predicting spectroscopic quantities. The combination of these two features still represents a methodological challenge. Furthermore, conventional MD simulations consider the nuclei as classical particles. Not only motional effects, but also the quantum nature of the nuclei are expected to influence the properties of a molecular system. This work aims at a more realistic description of properties that are accessible via NMR experiments. With the help of the path integral formalism the quantum nature of the nuclei has been incorporated and its influence on the NMR parameters explored. The effect on both the NMR chemical shift and the Nuclear Quadrupole Coupling Constants (NQCC) is presented for intra- and intermolecular hydrogen bonds. The second part of this thesis presents the computation of electric field gradients within the Gaussian and Augmented Plane Waves (GAPW) framework, that allows for all-electron calculations in periodic systems. This recent development improves the accuracy of many calculations compared to the pseudopotential approximation, which treats the core electrons as part of an effective potential. In combination with MD simulations of water, the NMR longitudinal relaxation times for 17O and 2H have been obtained. The results show a considerable agreement with the experiment. Finally, an implementation of the calculation of the stress tensor into the quantum chemical program suite CP2K is presented. This enables MD simulations under constant pressure conditions, which is demonstrated with a series of liquid water simulations, that sheds light on the influence of the exchange-correlation functional used on the density of the simulated liquid.

The influence of heat treatment on the phase relations in mineral growth systems

ABSTRACT Corundum is one of the most famous gems materials. Different heat treatment methods for enhancement purposes are commonly applied and accepted in the gem market. With this reason, the identification of the natural, unheated corundum is intensively investigated. In this study, aluminium hydroxide minerals and zircon are focused to observe the crystallization and phase change of these minerals during heat treatment procedures. Aluminium hydroxide minerals can be transformed to alumina with the corundum structure by heating. The reaction history of aluminium hydroxide minerals containing corundum was investigated comparing it with diaspore, boehmite, gibbsite and bayerite by TG and DTA methods. These hydroxide minerals were entirely transformed to corundum after heating at 600°C. Zircon inclusions in corundums from Ilakaka, Madagascar, were investigated for the influence of different heat-treatment temperatures on the recovery of their crystalline structure and on possible reactions within and with the host crystals. The host corundum was heated at 500, 800, 1000, 1200, 1400, 1600 and 1800°C. The crystallinity, the trapped pressure, and the decomposition of the zircon inclusions within the host corundum have been investigated by Raman spectroscopy. Radiation-damaged zircon inclusions may be used as an indicator for unheated Ilakaka corundum crystals. They are fully recrystallized after heating at 1000°C influencing the lowering of the 3 Raman band shift, the decreasing of FWHM of the 3 Raman band and the decreasing of the trapped pressure between the inclusion and the host corundum. Under microscopic observation, surface alterations of the inclusions can be firstly seen from transparent into frosted-like appearance at 1400°C. Then, between 1600°C and 1800 °C, the inclusion becomes partly or even completely molten. The decomposition of the zircon inclusion to m-ZrO2 and SiO2-glass phases begins at the rim of the inclusion after heating from 1200°C to 1600°C which can be detected by the surface change, the increase of the 3 Raman band position and the trapped pressure. At 1800°C, the zircon inclusions entirely melt transforming to solid phases during cooling like m-ZrO2 and SiO2-glass accompanied by an increase of pressure between the transformed inclusion and its host.

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Laser systems for collinear spectroscopy and the charge radius of 12 Be

Die kollineare Laserspektroskopie hat sich in den vergangenen drei Jahrzehnten zur Bestimmung der Kernladungsradien mittelschwerer und schwerer kurzlebiger Atomkerne in ausgezeichneter Weise bewährt. Auf die Isotope sehr leichter Elemente konnte sie allerdings erst kürzlich erweitert werden. Dieser Bereich der Nuklidkarte ist von besonderem Interesse, denn die ersten ab-initio Modelle der Kernphysik, die den Aufbau eines Atomkerns basierend auf individuellen Nukleonen und realistischenWechselwirkungspotentialen beschreiben, sind gegenwärtig nur für die leichtesten Elemente anwendbar. Außerdem existiertrnin dieser Region eine besonders exotische Form von Atomkernen, die sogenanntenrnHalokerne. Die Isotopenkette der Berylliumisotope zeichnet sich durch das Auftreten des Ein-Neutronen Halokerns 11Be und des Zwei- oder Vier-Neutronen-Halos 14Be aus. Dem Isotop 12Be kommt durch seine Position zwischen diesen beiden Exoten und den im Schalenmodell erwarteten magischen Schalenabschluss N = 8 eine besondere Bedeutung zu.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere frequenzstabilisierte Lasersysteme für die kollineare Laserspektroskopie aufgebaut. An TRIGA-SPEC stehen nun unter anderem ein frequenzverdoppeltes Diodenlasersystem mit Trapezverstärker und frequenzkammstabilisierter Titan-Saphirlaser mit Frequenzverdopplungsstufe für die Spektroskopie an refraktären Elementen oberhalb von Molybdän zur Verfügung, die für erste Testexperimente eingesetzt wurden. Außerdem wurde die effiziente Frequenzvervierfachung eines Titan-Saphirlasers demonstriert. An ISOLDE/CERN wurde ein frequenzkammstabilisierter und ein jodstabilisierter Farbstofflaser installiert und für die Laserspektroskopie an 9,10,11,12Be eingesetzt. Durch das verbesserte Lasersystem und den Einsatz eines verzögerten Koinzidenznachweises für Photonen und Ionen gelang es die Empfindlichkeitrnder Berylliumspektroskopie um mehr als zwei Größenordnungen zu steigern und damit die früheren Messungen an 7−11Be erstmals auf das Isotop 12Be auszuweiten. Außerdem wurde die Genauigkeit der absoluten Übergangsfrequenzen und der Isotopieverschiebungen der Isotope 9,10,11Be signifikant verbessert.rnDurch den Vergleich mit Ergebnissen des Fermionic Molecular Dynamics Modells kann der Trend der Ladungsradien der leichteren Isotope durch die ausgeprägte Clusterstruktur der Berylliumkerne erklärt werden. Für 12Be wird ersichtlich, dass der Grundzustand durch eine (sd)2 Konfiguration statt der vom Schalenmodell erwarteten p2 Konfiguration dominiert wird. Dies ist ein klares Indiz für das bereits zuvor beobachtete Verschwinden des N = 8 Schalenabschlusses bei 12Be.

Hundertneunundzwanzig Xe NMR for investigations of complex and dynamic systems

In this work, the remarkable versatility and usefulness of applications of Xe-129 NMR experiments is further extended. The application of Xe-129 NMR spectroscopy to very different system is studied, including dynamic and static, solid and liquid, porous and non-porous systems. Using the large non-equilibrium polarization created by hyperpolarization of Xe-129, time-resolved NMR measurements can be used for the online-monitoring of dynamic systems. In the first part of this work, several improvements for medical applications of hyperpolarized Xe-129 are achieved and their feasibility shown experimentally. A large gain in speed and reproducibility of the accumulation process of Xe-129 as ice and an enhancement of the usable polarization in any experiment requiring prior accumulation are achieved. An enhancement of the longitudinal relaxation time of Xe-129 is realized by admixture of a buffer gas during the storage of hyperpolarized Xe-129. Pursuing the efforts of simplifying the accumulation process and enhancing the storage time of hyperpolarized Xe-129 will allow for a wider use of the hyperpolarized gas in (medical) MRI experiments. Concerning the use of hyperpolarized Xe-129 in MRI, the influence of the diffusion coefficient of the gas on parameters of the image contrast is experimentally demonstrated here by admixture of a buffer gas and thus changing the diffusion coefficient. In the second part of this work, a polymer system with unique features is probed by Xe-129 NMR spectroscopy, proving the method to be a valuable tool for the characterization of the anisotropic properties of semicrystalline, syndiotactic polystyrene films. The polymer films contain hollow cavities or channels with sizes in the sub-nanometer range, allowing for adsorption of Xe-129 and subsequent NMR measurements. Despite the use of a ’real-world’ system, the transfer of the anisotropic properties from the material to adsorbed Xe-129 atoms is shown, which was previously only known for fully crystalline materials. The anisotropic behavior towards atomar guests inside the polymer films is proven here for the first time for one of the phases. For the polymer phase containing nanochannels, the dominance of interactions between Xe-129 atoms in the channels compared to interactions between Xe atoms and the channel walls are proven by measurements of a powder sample of the polymer material and experiments including the rotation of the films in the external magnetic field as well as temperature-dependent measurements. The characterization of ’real-world’ systems showing very high degrees of anisotropy by Xe-129 are deemed to be very valuable in future applications. In the last part of this work, a new method for the online monitoring of chemical reactions has been proposed and its feasibility and validity are experimentally proven. The chemical shift dependence of dissolved Xe-129 on the composition of a reaction mixture is used for the online monitoring of free-radical miniemulsion polymerization reactions. Xe-129 NMR spectroscopy provides an excellent method for the online monitoring of polymerization reactions, due to the simplicity of the Xe-129 NMR spectra and the simple relationship between the Xe-129 chemical shift and the reaction conversion. The results of the time-resolved Xe-129 NMR measurements are compared to those from calorimetric measurements, showing a good qualitative agreement. The applicability of the new method to reactions other than polymerization reactions is investigated by the online monitoring of an enzymatic reaction in a miniemulsion. The successful combination of the large sensitivity of Xe-129, the NMR signal enhancements due to hyperpolarization, and the solubility of Xe-129 gives access to the large new field of investigations of chemical reaction kinetics in dynamic and complex systems like miniemulsions.