Heteronuclear recoupling methods in solid-state NMR

This thesis is focused on the development of heteronuclear correlation methods in solid-state NMR spectroscopy, where the spatial dependence of the dipolar coupling is exploited to obtain structural and dynamical information in solids. Quantitative results on dipolar coupling constants are extracted by means of spinning sideband analysis in the indirect dimension of the two-dimensional experiments. The principles of sideband analysis were established and are currently widely used in the group of Prof. Spiess for the special case of homonuclear 1H double-quantum spectroscopy. The generalization of these principles to the heteronuclear case is presented, with special emphasis on naturally abundant 13C-1H systems. For proton spectroscopy in the solid state, line-narrowing is of particular importance, and is here achieved by very-fast sample rotation at the magic angle (MAS), with frequencies up to 35 kHz. Therefore, the heteronuclear dipolar couplings are suppressed and have to be recoupled in order to achieve an efficient excitation of the observed multiple-quantum modes. Heteronuclear recoupling is most straightforwardly accomplished by performing the known REDOR experiment, where pi-pulses are applied every half rotor period. This experiment was modified by the insertion of an additional spectroscopic dimension, such that heteronuclear multiple-quantum experiments can be carried out, which, as shown experimentally and theoretically, closely resemble homonuclear double-quantum experiments. Variants are presented which are well-suited for the recording of high-resolution 13C-1H shift correlation and spinning-sideband spectra, by means of which spatial proximities and quantitative dipolar coupling constants, respectively, of heteronuclear spin pairs can be determined. Spectral editing of 13C spectra is shown to be feasible with these techniques. Moreover, order phenomena and dynamics in columnar mesophases with 13C in natural abundance were investigated. Two further modifications of the REDOR concept allow the correlation of 13C with quadrupolar nuclei, such as 2H. The spectroscopic handling of these nuclei is challenging in that they cover large frequency ranges, and with the new experiments it is shown how the excitation problem can be tackled or circumvented altogether, respectively. As an example, one of the techniques is used for the identification of a yet unknown motional process of the H-bonded protons in the crystalline parts of poly(vinyl alcohol).

Quantensimulationen physisorbierter Molekülschichten auf Graphit

Mit Hilfe der Pfadintegral-Monte Carlo-Methode werdenPhasendiagramme von physisorbierten Molekülschichten aufGraphit untersucht. Die Verwendung von realistischen Potenzialen sowie dieBehandlung aller translatorischen und rotatorischenFreiheitsgrade erlaubt einen quantitativen Vergleich mit denExperimenten.Krypton-Atome bilden in der Monolage ein kommensurablesGitter mit den Atomen über der Mitte jeder drittenGraphitwabe.Die Vorgänge am Schmelzübergang werden von der Desorptioneiniger Atome dominiert. Die Argon-Schicht auf Graphit ist dagegen inkommensurabel.Zweiatomigen Stickstoff-Moleküle bilden eineorientierungsgeordnete Tieftemperaturphase(Fischgrät-Struktur). Quantenfluktuationen führen zu einer Erniedrigung der mitklassischen Methoden berechneten Phasenübergangstemperaturum 12%.Damit wird der experimentelle Wert von 28 K erreicht.Die Anisotropie und das Dipolmoment von Kohlenmonoxid führenzu einer dipolar geordneten Tieftemperaturphase.Die experimentell nicht geklärte Struktur kann in derQuantensimulation als antiferroelektrischeFischgrät-Struktur identifiziert werden.Der Phasenübergang liegt mit 6 K sehr nahe am Experiment(5.2 K).Für die Argon-Stickstoff-Mischsysteme wird dasPhasendiagramm in der Konzentrations(x)-Temperatur(T)-Ebeneerstellt. Die Übergangstemperaturen decken sich mit denen desExperiments.In Konfigurationen mit zufälliger Teilchenbesetzung weisen die linearen Moleküle ab Argon-Konzentrationen von10% ein Orientierungsglas-Verhalten auf.Durch einen zusätzlichen Teilchenaustausch wird in denMischsystemen die Bildung einer Windrad-Phase ermöglicht, inder die Argon-Atome eine Überstruktur annehmen.Diese Phase wird experimentell imArgon-Kohlenmonoxid-Mischsystem vorgefunden, dessenx-T-Phasendiagramm in guter Übereinstimmung mit denSimulationsergebnissen steht.Die explizite Berücksichtigung der Quantenmechanik in denComputersimulationen liefert wesentliche Beiträge zurKlärung des Phasenverhaltens und der Bestimmung vonÜbergangstemperaturen der Tieftemperaturstrukturen.

Dynamik unterkühlter molekularer Flüssigkeiten in Modenkopplungsapproximation - die Rolle der Orientierungsfreiheitsgrade für den Bosonenpeak

Die von Schilling et al. 1997 aufgestellten molekularenModenkopplungsgleichungen sind für zwei Systeme, dipolareharte Kugeln undharte Rotationsellipsoide, numerisch gelöst worden.In den Kompressibilitätsspektrenund den entsprechenden Korrelationsspektren der beidenSysteme fiel im Vergleich mit den Spektren einfacherFlüssigkeiten einzusätzlicher Peak (bp) auf.Die Position des zusätzlichen Peaks ist etwa eine Dekade unterhalb der Position derHochfrequenzpeaks, also im mesoskopischen Frequenzbereich.In molekularen Flüssigkeiten sind Phasenübergänge derOrientierung derglqq Molekülegrqq möglich.Bei dipolaren harten Kugeln kann ferroelektrische Ordnung,bei hartenEllipsoiden nematische Ordnung auftreten. Als Vorläuferphänomen der Orientierungsordnung bilden sich in den molekularenFlüssigkeiten orientierungsgeordnete Domänen. Die Kurzzeitdynamik dieser Domänen findetauf mesoskopischer Zeitskala statt. In der unterkühlten Flüssigkeit ist die Dynamik aller Modenan die Dynamikdieser Orientierungsmoden gekoppelt. Unsere Untersuchungen zeigen starke Hinweise darauf, dassdiese Kopplung denbp erzeugt.Demnach ist die Streuung nichtlokalisierter longitudinalerakustischer Modenan lokalisierten Orientierungsmoden die Ursache für den bp.hat nahezu keine q-Abhängigkeit und zeigt einenIsotopeneffekt. Weiterhin verglichen wir die Eigenschaften des bp mit denEigenschaften des Bosonenpeaks (BP).Der BP befindet sich in Spektren realer Systeme ebenfallseine Dekadeunterhalb der Hochfrequenzpeaks.Dieser Vergleich und der Vergleich mit den Ergebnissen einerMD-Simulation desHE-Systems ließ uns vermuten, dass es sich bei dem bp und bei dem BP in Spektrenmolekularer Systeme um dasselbe Phänomen handelt.In einem schematischen Modenkopplungsmodell konnte dasVerhalten des bpzusätzlich untersucht werden.

Lineare und nichtlineare dielektrische Spektroskopie am Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat

Relaxor-Ferroelektrika sind wegen ihrer möglichen technischen Anwendungen und vom Standpunkt der Grundlagenforschung als Beispiel für ungeordnete Systeme von wissenschaftlichem Interesse. Trotz zahlreicher experimenteller Untersuchungen sind die mikroskopischen Ursachen ihrer Eigenschaften aber nach wie vor ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat-Bleititanat (PMN-10PT) mittels linearer und nichtlinearer dielektrischer Spektroskopie untersucht. Durch Anregung mit starken elektrischen Wechselfeldern konnten mit der Methode des nichtresonanten dielektrischen Lochbrennens frequenzselektiv einzelne spektrale Bereiche aus dem verbreiterten Relaxationsspektrum herausgegriffen und deren Rückrelaxation separat verfolgt werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, daß eine langlebige dynamische Heterogenität der dipolaren Reorientierung existiert. Durch ihr ausgeprägt nichtergodisches Verhalten zeigen Relaxor-Ferroelektrika starke Alterungseffekte. Die Untersuchung des Alterungsverhaltens der dielektrischen Suszeptibilität zeigte, daß ein Gedächtnis für die bei einer Alterungstemperatur eingenommene Konfiguration bestehen bleibt, sofern die Temperatur nach einer unvollständigen isothermen Alterung nur um einige Grad abgesenkt oder erhöht wurde.Außerdem wurde die induzierte Polarisation bei stochastischen dielektrischen Anregungen mit elektrischen Feldern, die in sehr guter Näherung ein weißes Rauschen darstellten, untersucht. Über die Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen Feld und Polarisation konnte die Impulsantwortfunktion des Systems berechnet werden.Die experimentellen Ergebnisse am Relaxor-Ferroelektrikum PMN-10PT können sehr gut mit einem Modell eines ungeordneten Ferroelektrikums erklärt werden, dessen Domänenwände unordnungsbedingt an sogenannten Pinning-Zentren festhaften.

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.

Structure and dynamics of supramolecular assemblies studied by advanced solid-state NMR spectroscopy

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Aufklärung von Struktur und Dynamik komplexer supramolekularer Systeme mittels Festkörper NMR Spektroskopie. Die Untersuchung von pi-pi Wechselwirkungen, welche einen entscheidenden Einfluss auf die strukturellen und dynamischen Eigenschaften supra- molekularer Systeme haben, hilft dabei, die Selbst- organisationsprozesse dieser komplexen Materialien besser zu verstehen. Mit dipolaren 1H-1H and 1H-13C Wiedereinkopplungs NMR Methoden unter schnellem MAS können sowohl 1H chemische Verschiebungen als auch dipolare 1H-1H und 1H-13C Kopplungen untersucht werden, ohne dass eine Isotopenmarkierung erforderlich ist. So erhält man detaillierte Informationen über die Struktur und die Beweglichkeit einzelner Molekül- segmente. In Verbindung mit sogenannten nucleus independent chemical shift (NICS) maps (berechnet mit ab-initio Methoden) lassen sich Abstände von Protonen relativ zu pi-Elektronensystemen bestimmen und so Strukturvorschläge ableiten. Mit Hilfe von homo- und heteronuklearen dipolaren Rotationsseitenbandenmustern könnenaußerdem Ordnungs- parameter für verschiedene Molekülsegmente bestimmt werden. Die auf diese Weise gewonnenen Informationen über die strukturellen und dynamischen Eigenschaften supramolekularer Systeme tragen dazu bei, strukturbestimmende Molekül- einheiten und Hauptordnungsphänomene zu identifizieren sowie lokale Wechselwirkungen zu quantifizieren, um so den Vorgang der Selbstorganisation besser zu verstehen.

Tris(trimethylsilyl)silyl substituted alkali- and transition metal guaiazulenides

In der vorliegenden Arbeit wird ein prochirales, aus natürlichen Resourcen gewonnenes Azulen, das Guajazulen genutzt, um neuartige chirale Cyclopentadienyl-Systeme aufzubauen. Mit Alkalimetallhypersilaniden als starke und sperrige Nukleophile gelingt es hypersilylsubstituierte Gujazulenide zu synthetisieren. Diese wurden mittels Elementaranalyse, NMR-Spektroskopie und Röntgendiffraktometrie charakterisiert. Durch nachfolgende Metathesen mit Übergangsmetallhalogeniden konnten in vielen Fällen die entsprechenden Metallocene erhalten werden. Die Experimente enthüllen eine ausgeprägte Regioselektivität der Addition des sperrigen Hypersilyanions an das Guajazulen, die durch das eingesetzte Lösungsmittel graduell verändert werden kann. In nicht-koordinierenden Lösungsmitteln findet man ausschließlich eine Addition an der 6-Position, die 6-Hypersilyl-2,6-dihydroguajazulenide (6-Hyp-Hgual) (M=Li 1, K 2, Cs 4) in ausgezeichneten Ausbeuten liefert. In polaren Solventien erhält man hingegen Mischungen der 6- und 8-Regioisomeren: 2 bzw. (8-Hyp-Hgual) (3). 2 bleibt aber hierbei das Hauptprodukt. Röntgenbeugungsexperimente zeigen, dass 1 im Kristall als dimerer Sandwich-Komplex, meso-[Li2(6-Hyp-Hgual)2], und die THF-Solvate (thf)4K(6-Hyp-Hgual) (2a) sowie (thf)4K(8-Hyp-Hgual) (3a) jeweils als Halb-Sandwich-Komplexe in einer racemischen Mischung vorliegen. Die Verbindungen 1, 2, 3 and 4 eignen sich sehr gut dazu, in Metathesereaktionen als Precursor für neuartige chirale Metallozen-Komplexe eingesetzt zu werden. Insbesondere das Kaliumderivat 2 besticht durch die einfache und relativ preiswerte Synthese, die erzielten hohen Ausbeuten (>80%) und seine leichte Handhabbarkeit. In THF als Solvent wurden die Metallocene 5:5-M’(6-Hyp-Hgual)2 (M’ = Mn 5, Fe 6, Ni 8) und 5:5-Fe(8-Hyp-Hgual)2 (7) erhalten. Bei Verwendung einiger redox-aktiver Metallhalogenide beobachtet man jedoch die Zersetzung der Metallocene unter Bildung des oxidativen Kopplungsproduktes (3-Hyp-6-Hgual)2 (9) sowie der Ausscheidung von Metall. Die Umsetzung von Halogeniden der Gruppe 4 (TiCl3 and M’’Cl4 (M’’ = Ti, Zr, Hf)) mit 2 liefert in THF ausschließlich die Metallozendichloride M’’(6-Hyp-Hgual)2Cl2 (M’’ = Ti (10), Zr (11), Hf (12)). Die erhaltenen Metallozenderivate fallen als Diastereomeren-Gemische an, die sich durch fraktionierende Kristallisation teilweise oder vollständig in ihre Bestandteile, das jeweilige R,R-Racemat und das R,S-meso-Diastereomer auftrennen lassen. Die Strukturen der rac-Diastereomere konnten durch Beugungsexperimente aufgeklärt werden. Durch eine Metathese von 2 mit Hyp-Cl kann eine zweite Hypersilylgruppe in die 2-Position des Guajazulen-Gerüstes eingeführt werden. Das entstehende 2,6-bis(Hyp)-H2gua (14) kann anschließend mit nBuLi in das extrem luft- und feuchtigkeitsempfindliche Li[2,6-bis(Hyp)-Hgual] (15) überführt werden, dass wie 1 eine dimere Sandwich-Struktur aufweist. Durch Einführung des zweiten Hypersilylrestes werden die chemischen Eigenschaften des Azulenids dramatisch verändert. Während Verbindung 1 sich als guter Precursor für Metallocene erwies, gelang es uns bislang nicht, entsprechende Derivate der Verbindung 15 zu isolieren.

A study of nitronyl and imino nitroxide radicals attached to heterocyclic cores

Stabile organische Radikale mit zusätzlichen Funktionalitäten wie Donor/Akzepotor Eigenschaften und Ligandeneignung für Übergangsmetallkomplexierung repräsentieren eine synthetische Herausforderung beim Streben nach der Konstruktion hochdimensionaler heterospin Strukturen. In diesem Hinblick wurden acht neue Hochspinbiradikal-Moleküle zusammen mit ihren Monoradikal- Pendants in dieser Arbeit hergestellt. Die Wahl der Liganden als organische Distanzhalter der Radikaleinheiten wurde auf stickstoffhaltige Heterozyklen (Pyridin und Pyrazol) gelenkt. Diese wurden weiterhin mit den stabilen Spinträgern Nitronylnitroxid- (NN) und Iminonitroxidfragmenten (IN) dekoriert. Ihre Synthese beinhaltete mehrstufige Umsetzungen (Brominierung, Iodierung, N- und Carbaldehyd Schutzgruppen, Stille-Kupplung, Grignard Reaktion, etc.) um die Mono- und Dicarbaldehyd-heterocyclenderivate als Schlüsselvorläufer der Radikaleinheiten zu gewinnen. Die Carbaldehyd-Zwischenstufen wurden Kondensationsreaktionen mit 2,3-Dimethyl-2,3-bis(hydroxylamino)-butan unterworfen (üblicherweise in Dioxan unter Argon für ~ 7 Tage), gefolgt von der Oxidation der Bis-hydroxylimidazolidin-Vorläufer unter Phasentransferkatalyse (NaIO4/H2O). Die Radikalmoleküle wurden mit verschiedenen spektroskopischen Methoden untersucht (FT/IR, UV/Vis/ EPR etc.) und ihre Einkristalle mit Röntgenstrahlbeugung gemessen. Die UV/VIS- Lösungsspektren zeigten in einem breiten Bereich verschiedener Lösungsmittelpolaritäten keine spezifische Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Radikaleinheit, während ihre Stabilitäten in protischen Lösunsgmitteln wie MeOH stark abnahmen. Als Pulver konnten sie jedoch im Kühlschrank an der Luft für eine Jahr gelagert werden, ohne sich zu zersetzen. Die spektroskopischen Fingerabdrücke der Radikale wurden eindeutig identifiziert and erschienen stark abhängig vom Typ des pi-Ringsystems an das die Spinträger gekoppelt wurden. Basierend auf diesen Informationen wurde ein schnelles Protokoll etabliert, das eine direkte Zuordnung der Art der Radikale und ihrer Anzahl ermöglicht, sowie ihre Reinheit und Verunreinigungen zu definieren. In Lösung bestätigte die Analyse der EPR Spektren der Biradikale die starke Austauschwechselwirkung J zwischen den Radikalfragmenten über die Kopplungseinheiten (J >> an, an ist die Stickstoffhyperfeinkopplungskonstante). Dies wurde weiter unterstützt durch die Beobachtungen in gefrorener Lösung über die Nullfeldaufspaltungen und verbotenen Halbfeldübergänge (Δms = 2). Die Temperaturabhängigkeiten der Δms = 2 - EPR Signale wurden bis herunter auf 4 K gemessen und das exakte Vorzeichen und die Größe von J ermittelt. Diese Arbeit unterstreicht die Möglichkeit über synthetische Chemie eine Feineinstellung der „through bond“ Austauschwechselwirkung zwischen verwandten pi- und sigma- konjugierten Heterozyklen zu erreichen, in denen der S = 1 Grundzustand angenommen wird. Zusätzlich zeigten diese Resultate, dass die Übertragung der Spinpolarisation durch verschiedene Koppler sehr effektiv war.

Optimised polyolefin branch quantification by 13 C NMR spectroscopy

Quantitative branch determination in polyolefins by solid- and melt-state 13C NMR has been investigated. Both methods were optimised toward sensitivity per unit time. While solid-state NMR was shown to give quick albeit only qualitative results, melt-state NMR allowed highly time efficient accurate branch quantification. Comparison of spectra obtained using spectrometers operating at 300, 500 and 700 MHz 1H Larmor frequency, with 4 and 7~mm MAS probeheads, showed that the best sensitivity was achieved at 500 MHz using a 7 mm 13C-1H optimised high temperature probehead. For materials available in large quantities, static melt-state NMR, using large diameter detection coils and high coil filling at 300 MHz, was shown to produce comparable results to melt-state MAS measurements in less time. While the use of J-coupling mediated polarisation transfer techniques was shown to be possible, direct polarisation via single-pulse excitation proved to be more suitable for branch quantification in the melt-state. Artificial line broadening, introduced by FID truncation, was able to be reduced by the use of π pulse-train heteronuclear dipolar decoupling. This decoupling method, when combined with an extended duty-cycle, allowed for significant improvement in resolution. Standard setup, processing and analysis techniques were developed to minimise systematic errors contributing to the measured branch contents. The final optimised melt-state MAS NMR method was shown to allow time efficient quantification of comonomer content and distribution in both polyethylene- and polypropylene-co-α-olefins. The sensitivity of the technique was demonstrated by quantifying branch concentrations of 8 branches per 100,000 CH2 for an industrial ‘linear’ polyethylene in only 13 hours. Even lower degrees of 3–8 long-chain branches per 100,000 carbons were able to be estimated in just 24 hours for a series of γ-irradiated polypropylene homopolymers.

NMR spectroscopy and imaging of hyperpolarized gases

Since the discovery of the nuclear magnetic resonance (NMR) phenomenon, countless NMR techniques have been developed that are today indispensable tools in physics, chemistry, biology, and medicine. As one of the main obstacles in NMR is its notorious lack of sensitivity, different hyperpolarization (HP) methods have been established to increase signals up to several orders of magnitude. In this work, different aspects of magnetic resonance, using HP noble gases, are studied, hereby combining different disciplines of research. The first part examines new fundamental effects in NMR of HP gases, in theory and experiment. The spin echo phenomenon, which provides the basis of numerous modern experiments, is studied in detail in the gas phase. The changes of the echo signal in terms of amplitude, shape, and position, due to the fast translational motion, are described by an extension of the existing theory and computer simulations. With this knowledge as a prerequisite, the detection of intermolecular double-quantum coherences was accomplished for the first time in the gas phase. The second part of this thesis focuses on the development of a practical method to enhance the dissolution process of HP 129Xe, without loss of polarization or shortening of T1. Two different setups for application in NMR spectroscopy and magnetic resonance imaging (MRI) are presented. The continuous operation allows biological and multidimensional spectroscopy in solutions. Also, first in vitro MRI images with dissolved HP 129Xe as contrast agent were obtained at a clinical scanner.

Influence of spatial constraints in non-crystalline regions on the polymer dynamics in semi-crystalline polyethylene: a solid state NMR study

A broad variety of solid state NMR techniques were used to investigate the chain dynamics in several polyethylene (PE) samples, including ultrahigh molecular weight PEs (UHMW-PEs) and low molecular weight PEs (LMW-PEs). Via changing the processing history, i.e. melt/solution crystallization and drawing processes, these samples gain different morphologies, leading to different molecular dynamics. Due to the long chain nature, the molecular dynamics of polyethylene can be distinguished in local fluctuation and long range motion. With the help of NMR these different kinds of molecular dynamics can be monitored separately. In this work the local chain dynamics in non-crystalline regions of polyethylene samples was investigated via measuring 1H-13C heteronuclear dipolar coupling and 13C chemical shift anisotropy (CSA). By analyzing the motionally averaged 1H-13C heteronuclear dipolar coupling and 13C CSA, the information about the local anisotropy and geometry of motion was obtained. Taking advantage of the big difference of the 13C T1 relaxation time in crystalline and non-crystalline regions of PEs, the 1D 13C MAS exchange experiment was used to investigate the cooperative chain motion between these regions. The different chain organizations in non-crystalline regions were used to explain the relationship between the local fluctuation and the long range motion of the samples. In a simple manner the cooperative chain motion between crystalline and non-crystalline regions of PE results in the experimentally observed diffusive behavior of PE chain. The morphological influences on the diffusion motion have been discussed. The morphological factors include lamellar thickness, chain organization in non-crystalline regions and chain entanglements. Thermodynamics of the diffusion motion in melt and solution crystallized UHMW-PEs is discussed, revealing entropy-controlled features of the chain diffusion in PE. This thermodynamic consideration explains the counterintuitive relationship between the local fluctuation and the long range motion of the samples. Using the chain diffusion coefficient, the rates of jump motion in crystals of the melt crystallized PE have been calculated. A concept of "effective" jump motion has been proposed to explain the difference between the values derived from the chain diffusion coefficients and those in literatures. The observations of this thesis give a clear demonstration of the strong relationship between the sample morphology and chain dynamics. The sample morphologies governed by the processing history lead to different spatial constraints for the molecular chains, leading to different features of the local and long range chain dynamics. The knowledge of the morphological influence on the microscopic chain motion has many implications in our understanding of the alpha-relaxation process in PE and the related phenomena such as crystal thickening, drawability of PE, the easy creep of PE fiber, etc.

Struktur-Dynamik-Beziehungen in amorphen festen Lösungen

Feste Lösungen homogen dispergierter Wirkstoffmoleküle in amorphen Polymermatrizen sind wichtige Materialien in vielen pharmazeutischen Anwendungen, bei denen eine kontrollierte Abgabe wasserunlöslicher Wirkstoffe in wässrige Systeme eine Rolle spielt. Die intermolekulare Bindungs-stärke zwischen Polymer- und Wirkstoffmolekülgruppen bestimmt die Stabilität der festen Lösung und steuert somit die biologische Aktivität der Wirkstoffmoleküle. In festen Lösungen, die aus acryl-säurehaltigen Copolymeren (Protonendonoren) und basischen Wirkstoffmolekülen (Protonenakzepto-ren) hergestellt werden, sind intermolekulare Wasserstoffbrücken zwischen den Systemkomponenten Triebkraft für die Bildung einer stabilen homogenen Dispersion und für die Entstehung struktureller Merkmale zwischen den Molekülgruppen der Systemkomponenten. Zudem ist die Bindungsstärke der Wasserstoffbrücken im Hinblick auf die kontrollierte Abgabe der Wirkstoffe von Bedeutung. Da dynamische chemische Gleichgewichte bei der Bildung der Wasserstoffbrücken eine wichtige Rolle spielen müssen neben strukturellen Parametern auch dynamische Faktoren beleuchtet werden. Ziel dieser Arbeit ist neben der Ermittlung von intermolekularen Bindungsstärken vor allem die Identifika-tion struktureller Verhältnisse zwischen den Systemkomponenten auf molekularer Ebene. Die Be-stimmung der Abhängigkeit dieser Parameter von der Struktur der verwendeten Polymere und einer Vielzahl weiterer Einflüsse wie z.B. Feuchtigkeit, Lagerdauer oder Wirkstoffkonzentration soll ein kontrolliertes Design fester Lösungen mit definierten anwendungsspezifischen Eigenschaften ermögli-chen. Temperaturabhängige 1H-Festkörper-MAS-NMR (Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance) Experimente an festen Lösungen mit unterschiedlichen Copolymer-Zusammensetzungen weisen die Existenz dynamischer chemischer Gleichgewichte in den komplexen Wasserstoffbrücken-netzwerken nach. Veränderungen in der chemischen Verschiebung und in der Linienform der Reso-nanzlinien acider Protonen erlauben einen tiefen Einblick in die Architektur dieser Netzwerke und legen die Bindungsverhältnisse unter Berücksichtigung der Polymerchemie und der Mobilität der Systemkomponenten dar, wobei die Befunde mithilfe quantenchemischer Rechnungen untermauert werden können. Die Gegenwart acider Protonen ermöglicht einen einfachen 1H-2H-Austausch, wor-aufhin mithilfe rotorsynchronisierter temperaturabhängiger 2H-MAS-NMR Experimente die Wasser-stoffbrückenbindungsstärke bestimmt werden kann. Mit 1H-1H-Korrelationsexperimenten (Doppelquantenspektroskopie) stehen Methoden für die Bestimmung homonuklearer dipolarer 1H-1H-Kopplungen zur Verfügung, die strukturelle Aussagen aufgrund von bevorzugten räumlichen Kontak-ten bestimmter Molekülgruppen ermöglichen. Weiterhin können diese Experimente verwendet werden, um Wasserstoffbrücken zwischen Polymergruppen von Polymer-Wirkstoff-Wasserstoffbrücken zu unterscheiden, wodurch eine quantitative Beschreibung des Bindungsnetzwerks und der Konkurrenz-prozesse zwischen den einzelnen wasserstoffverbrückten Spezies ermöglicht wird. Eine Kristallisation der Wirkstoffmoleküle ist in vielen Anwendungen unerwünscht, da sie die biologische Verfügbarkeit des Wirkstoffs reduzieren. Mit 1H-Festkörper-MAS-NMR Experimenten können kristalline von amorph dispergierten Wirkstoffmolekülen unterschieden werden, wodurch eine Quantifizierung der Destabilisierungsprozesse ermöglicht wird, die durch Exposition der festen Lösungen mit Wasserdampf ausgelöst werden können. Die Zeit- und Konzentrationsabhängigkeit der Wasseraufnahme kann mit NMR-Experimenten verfolgt werden, wobei unterschiedlich mobile Was-serspezies an unterschiedlichen Bindungsorten identifiziert werden können, was zum molekularen Verständnis der Destabilisierungsprozesse beiträgt. Zusätzlich wird die Mobilität der Wirkstoffmole-küle bestimmt, die sich – wie auch die Wirkstoffkonzentration - als wichtige Größe in der Beschrei-bung der Destabilisierung erweist. Aufbauend auf den Beobachtungen wird ein Zusammenhang zwischen der Copolymerzusammensetzung und einer kritischen Wirkstoffkonzentration hergestellt, der für die Anwendungen amorpher fester Lösungen in biologischen Systemen von großer Bedeutung ist.

Solid-state NMR investigation of phosphonic acid based proton conducting materials

In this work, new promising proton conducting fuel cell membrane materials were characterized in terms of their structure and dynamic properties using solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray diffraction. Structurally different, phosphonic acid (PA) containing materials were systematically evaluated for possible high-temperature operation (e.g. at T>100°C). Notably, 1H, 2H and 31P magic angle spinning (MAS) NMR provided insight into local connectivities and dynamics of the hydrogen bonded network, while packing arrangements were identified by means of heteronuclear dipolar recoupling techniques.rnThe first part of this work introduced rather crystalline, low molecular weight ionomers for proton conducting membranes, where six different geometries such as line, triangle, screw, tetrahedron, square and hexagon, were investigated. The hexagon was identified as the most promising geometry with high-temperature bulk proton conductivities in the range of 10-3 Scm-1 at a relative humidity of 50%. However, 2H NMR and TGA-MS data suggest that the bulk proton transport is mainly due to the presence of crystal water. Single crystal X-ray data revealed that in the tetrahedron phosphonic acids form tetrameric clusters isolating the mobile protons while the phosphonic acids in the hexagon form zigzag-type pathways through the sample.rnThe second part of this work demonstrates how acid-base pairing and the choice of appropriate spacers may influence proton conduction. Different ratios of statistical copolymers of poly (vinylphosphonic acid) and poly (4-vinylpyridine) were measured to derive information about the local structure and chemical changes. Though anhydrous proton conductivities of all statistical copolymers are rather poor, the conductivity increases to 10-2 S cm-1 when exposing the sample to relative humidity of 80%. In contrast to PVPA, anhydride formation of phosphonic acids in the copolymer is not reversible even when exposing the sample to a relative humidity of 100%.rnIn addition, the influence of both spacers and degree of backbone crystallinity on bulk proton conductivity was investigated. Unlike in systems such as poly benzimidazole (PBI), spacers were inserted between the protogenic groups along the backbone. It was found that dilution of the protogenic groups decreases the conductivity, but compared to PVPA, similar apparent activation energies for local motions were obtained from both variable temperature 1H NMR and impedance spectroscopy data. These observations suggest the formation of phosphonic acid clusters with high degrees of local proton motion, where only a fraction of motions contribute to the observable bulk proton conductivity. Additionally, it was shown that gradual changes of the spacer length lead to different morphologies.rnIn summary, applying advanced solid-state NMR and X-ray analysis, structural and dynamic phenomena in proton conducting materials were identified on a molecular level. The results were discussed with respect to different proton conduction mechanisms and may contribute to a more rational design or improvement of proton conducting membranes.rn

Effect of mixing, particle interaction, and spatial dimension on the glass transition

In this thesis, the influence of composition changes on the glass transition behavior of binary liquids in two and three spatial dimensions (2D/3D) is studied in the framework of mode-coupling theory (MCT).The well-established MCT equations are generalized to isotropic and homogeneous multicomponent liquids in arbitrary spatial dimensions. Furthermore, a new method is introduced which allows a fast and precise determination of special properties of glass transition lines. The new equations are then applied to the following model systems: binary mixtures of hard disks/spheres in 2D/3D, binary mixtures of dipolar point particles in 2D, and binary mixtures of dipolar hard disks in 2D. Some general features of the glass transition lines are also discussed. The direct comparison of the binary hard disk/sphere models in 2D/3D shows similar qualitative behavior. Particularly, for binary mixtures of hard disks in 2D the same four so-called mixing effects are identified as have been found before by Götze and Voigtmann for binary hard spheres in 3D [Phys. Rev. E 67, 021502 (2003)]. For instance, depending on the size disparity, adding a second component to a one-component liquid may lead to a stabilization of either the liquid or the glassy state. The MCT results for the 2D system are on a qualitative level in agreement with available computer simulation data. Furthermore, the glass transition diagram found for binary hard disks in 2D strongly resembles the corresponding random close packing diagram. Concerning dipolar systems, it is demonstrated that the experimental system of König et al. [Eur. Phys. J. E 18, 287 (2005)] is well described by binary point dipoles in 2D through a comparison between the experimental partial structure factors and those from computer simulations. For such mixtures of point particles it is demonstrated that MCT predicts always a plasticization effect, i.e. a stabilization of the liquid state due to mixing, in contrast to binary hard disks in 2D or binary hard spheres in 3D. It is demonstrated that the predicted plasticization effect is in qualitative agreement with experimental results. Finally, a glass transition diagram for binary mixtures of dipolar hard disks in 2D is calculated. These results demonstrate that at higher packing fractions there is a competition between the mixing effects occurring for binary hard disks in 2D and those for binary point dipoles in 2D.

Synthese organisch-anorganischer Hybridmaterialien in Mehrkomponenten-Lösungsmittelsystemen

Die Funktionalisierung anorganischer Nanopartikel stellt einen Schlüsselschritt in der Herstellung von Nanokompositen dar. Nanokomposite erzielen ein wachsendes Interesse im Bereich der Polymer- und der Materialwissenschaften, da die Kombination mehrerer Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie etwa die Kombination anorganischer Nanopartikel mit Polymeren, große Synergieeffekte erhoffen lässt.rnrnDer Einbau anorganischer Nanopartikel in polymere Matrixmaterialien zur Verbesserung oder Einführung mechanischer, optischer oder magnetischer Eigenschaften von Polymeren bedarf allerdings der Modifizierung der Oberfläche des anorganischen Materials, um die für die positiven Synergieeffekte essentielle Kompatibilität zwischen Füllstoff und Matrix zu erreichen.rnrnEine Vielzahl anorganischer Partikel ist bereits als wässrige Dispersion erhältlich (SiO2, Al2O3, CeO2, ZrO2, ...). Mehrkomponenten- Lösungsmittelsysteme ermöglichen den Transfer dieser Partikel in eine unpolare Umgebung und gleichzeitig deren Funktionalisierung mit amphiphilen Copolymeren. Aufgrund der reversiblen Schaltbarkeit dieser Lösungsmittelsysteme zwischen einem einphasigen und zweiphasigen Zustand werden die zu Beginn in zwei nichtmischbaren Phasen vorliegenden Reaktionspartner durch Übergang in einen einphasigen Zustand unter homogenen Bedingungen in Kontakt gebracht und durch eine erneute Phasentrennung isoliert.rnEin weiterer Vorteil dieser Lösungsmittelsysteme ist deren Tolerierung funktioneller Gruppen in den verwendeten amphiphilen Copolymeren, welche nicht in Wechselwirkung mit der Partikeloberfläche stehen. Beispielsweise können Amine in den amphiphilen Copolymeren für die Wechselwirkung der funktionalisierten Partikel mit einer Polyurethanmatrix dienen, Alkine können mittels einer 1,3-dipolaren Cycloaddition umgesetzt werden oder aber perfluorierten Seitenketten in den Seitenketten der amphiphilen Copolymere die Kompatibilisierung der funktionalisierten Partikel mit einem perfluorierten Polymer gewährleisten.