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).

Sistemi liquido cristallini complessi: simulazioni al calcolatore e studi ESR

The aim of this PhD thesis was to study at a microscopic level different liquid crystal (LC) systems, in order to determine their physical properties, resorting to two distinct methodologies, one involving computer simulations, and the other spectroscopic techniques, in particular electron spin resonance (ESR) spectroscopy. By means of the computer simulation approach we tried to demonstrate this tool effectiveness for calculating anisotropic static properties of a LC material, as well as for predicting its behaviour and features. This required the development and adoption of suitable molecular models based on a convenient intermolecular potentials reflecting the essential molecular features of the investigated system. In particular, concerning the simulation approach, we have set up models for discotic liquid crystal dimers and we have studied, by means of Monte Carlo simulations, their phase behaviour and self­-assembling properties, with respect to the simple monomer case. Each discotic dimer is described by two oblate Gay­Berne ellipsoids connected by a flexible spacer, modelled by a harmonic "spring" of three different lengths. In particular we investigated the effects of dimerization on the transition temperatures, as well as on the characteristics of molecular aggregation displayed and the relative orientational order. Moving to the experimental results, among the many experimental techniques that are typically employed to evaluate LC system distinctive features, ESR has proved to be a powerful tool in microscopic scale investigation of the properties, structure, order and dynamics of these materials. We have taken advantage of the high sensitivity of the ESR spin probe technique to investigate increasingly complex LC systems ranging from devices constituted by a polymer matrix in which LC molecules are confined in shape of nano- droplets, as well as biaxial liquid crystalline elastomers, and dimers whose monomeric units or lateral groups are constituted by rod-like mesogens (11BCB). Reflection-mode holographic-polymer dispersed liquid crystals (H-PDLCs) are devices in which LCs are confined into nanosized (50­-300 nm) droplets, arranged in layers which alternate with polymer layers, forming a diffraction grating. We have determined the configuration of the LC local director and we have derived a model of the nanodroplet organization inside the layers. Resorting also to additional information on the nanodroplet size and shape distribution provided by SEM images of the H-PDLC cross-section, the observed director configuration has been modeled as a bidimensional distribution of elongated nanodroplets whose long axis is, on the average, parallel to the layers and whose internal director configuration is a uniaxial quasi- monodomain aligned along the nanodroplet long axis. The results suggest that the molecular organization is dictated mainly by the confinement, explaining, at least in part, the need for switching voltages significantly higher and the observed faster turn-off times in H-PDLCs compared to standard PDLC devices. Liquid crystal elastomers consist in cross-linked polymers, in which mesogens represent the monomers constituting the main chain or the laterally attached side groups. They bring together three important aspects: orientational order in amorphous soft materials, responsive molecular shape and quenched topological constraints. In biaxial nematic liquid crystalline elastomers (BLCEs), two orthogonal directions, rather than the one of normal uniaxial nematic, can be controlled, greatly enhancing their potential value for applications as novel actuators. Two versions of a side-chain BLCEs were characterized: side­-on and end­-on. Many tests have been carried out on both types of LCE, the main features detected being the lack of a significant dynamical behaviour, together with a strong permanent alignment along the principal director, and the confirmation of the transition temperatures already determined by DSC measurements. The end­-on sample demonstrates a less hindered rotation of the side group mesogenic units and a greater freedom of alignment to the magnetic field, as already shown by previous NMR studies. Biaxial nematic ESR static spectra were also obtained on the basis of Molecular Dynamics generated biaxial configurations, to be compared to the experimentally determined ones, as a mean to establish a possible relation between biaxiality and the spectral features. This provides a concrete example of the advantages of combining the computer simulation and spectroscopic approaches. Finally, the dimer α,ω-bis(4'-cyanobiphenyl-4-yl)undecane (11BCB), synthesized in the "quest" for the biaxial nematic phase has been analysed. Its importance lies in the dimer significance as building blocks in the development of new materials to be employed in innovative technological applications, such as faster switching displays, resorting to the easier aligning ability of the secondary director in biaxial phases. A preliminary series of tests were performed revealing the population of mesogenic molecules as divided into two groups: one of elongated straightened conformers sharing a common director, and one of bent molecules, which display no order, being equally distributed in the three dimensions. Employing this model, the calculated values show a consistent trend, confirming at the same time the transition temperatures indicated by the DSC measurements, together with rotational diffusion tensor values that follow closely those of the constituting monomer 5CB.

87 Rb-NMR-Untersuchungen an Trirubidiumhydrogendisulfat

In einer Vielzahl von Ionenkristallen mit Wasserstoffbrücken kann der Übergang aus einer paraelektrischen in eine elektrisch geordnete Phase mittels Substitution der Deuteronen durch Protonen um typischerweise 100 K abgesenkt werden. Die Ursache dieses Isotopieeffekts wird in Tunnelmoden der Protonen, in der Kopplung der Protonen untereinander oder in der Geometrie bzw. Symmetrie der Wasserstoffbrücke gesucht. Als Modellsubstanzen zur Untersuchung bieten sich die Trialkalihydrogendisulfate an. Hier sind die Wasserstoffbrücken, welche die Sulfattetraeder lokal zu Dimeren vernetzen, weit voneinander getrennt. Daher wird kein langreichweitiges Wasserstoffbrückennetzwerk ausgebildet.Bei den in dieser Arbeit untersuchten Rb3H1-xDx(SO4)2-Kristallen tritt der Phasenübergang im deuterierten Kristall bei 82 K auf und ist in protonierten Proben vollständig unterdrückt. Es wurde die 87Rb-NMR eingesetzt, weil damit Untersuchungen von Struktur und Dynamik im gesamten Konzentrationsbereich möglich sind. Die Meßgröße ist der elektrische Feldgradient (EFG), welcher durch die umgebenden Ionenladungen erzeugt wird.Durch orientierungsabhängige Messungen wurde gezeigt, daß die drei in der paraelektrischen Phase von Rb3D(SO4)2 vorkommenden EFG sich nicht durch Symmetrieoperationen ineinander überführen lassen. Es liegen somit kleine Abweichungen von einer monoklinen Symmetrie vor. Am Übergang in die antiferroelektrische Phase vervierfacht sich die Anzahl der kristallografisch inäquivalenten Einbaulagen. Aus dem Vergleich von NMR und Röntgenbeugung kann geschlossen werden, daß die Abweichungen von der monoklinen Raumgruppe und die elektrische Ordnung primär durch die Wasserstoffkerne verursacht werden. Aus der Aufspaltung der Resonanzlinien wurde ein statischer kritischer Exponent von  = 0,21  0,03 ermittelt, der mit trikritischem Verhalten verträglich ist. Die longitudinale Relaxation der Kernspinmagnetisierung wird durch Fluktuationen des EFG verursacht. Am Phasenübergang sind diese Fluktuationen an der Einbaulage der Rubidiumatome vergleichsweise groß und stark anisotrop. Beides läßt sich gut beschreiben, wenn angenommen wird, daß nur die Dynamik der Wasserstoffkerne die Kernspins relaxieren läßt. Für die longitudinale Relaxation wurde ebenfalls ein kritisches Verhalten am Phasenübergang gefunden. Der Exponent beträgt in deuterierten Proben  = -0,67 +- 0,07 und ist für die teildeuterierte Proben mit x = 0,5 größer:  = -1,15 +- 0,15. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, daß zur Beschreibung der NMR an verschiedenen Kernsorten weder, wie zuvor in der Literatur diskutiert, asymmetrische Wasserstoffbrücken noch Tunnelmoden erforderlich sind. Die hier erstmalig in den Trialkalihydrogendisulfaten gefundenen konzentrationsabhängigen kritischen Exponenten bilden einen neuen Prüfstein für die Modelle des Isotopieeffekts, die sich bisher primär auf die Erklärung der Phasenübergangstemperatur beschränkt haben.

Festkörper-NMR-Spektroskopie

Die innerhalb dieser Arbeit mittels moderner Festkörper-NMR-Methoden untersuchte molekulare Dynamik in Poly(methacrylat)-Schmelzen und Polyphenylen-Dendrimeren ist durch eine bemerkenswerte Anisotropie gekennzeichnet.Die Anisotropie der molekularen Dynamik zeigt sich in geschmolzenen, ataktischen und isotaktischen Poly(ethylmethacrylaten) (PEMA) durch die Zeitskalenseparation der segmentellen alpha-Relaxation von einem etwa zwei Größenordnungen langsameren Relaxationsprozeß, welcher die Isotropisierung der Polymerhauptkette wiedergibt. Die Isotropisierungsdynamik der Polymerhauptkette wird - mit Ausnahme von PMMA - durch eine universelle, nicht-korrelationszeitenverteilte Relaxationsmode der Poly(methacrylate) quantifiziert, deren Temperaturabhängigkeit durch einen einheitlichen WLF-Parametersatz beschrieben werden kann. Geometrisch läßt sich die Isotropisierung der Hauptkette durch Sprungprozesse beliebiger Amplitude von Kettenstücken mit gestreckter all-trans-Konformation interpretieren. Die Kette zeigt eine außergewöhnliche konformative Stabilität. WAXS-Messungen deuten für PEMA und seine höheren Homologen die Existenz einer Schichtstruktur an, in der sich die steifen, polaren Hauptketten lokal in Monolagen anordnen, welche durch Bereiche zusammengelagerter Seitengruppen getrennt sind. Die Festkörper-NMR-Untersuchungen an Polyphenylen-Dendrimeren bringen zwei zentrale Aspekte in der wechselseitigen Beziehung von Struktur und Dynamik hervor. Zum einen ist die beobachtete molekulare Dynamik auf lokale Reorientierungen einzelner, terminaler Phenylringe um definierte Achsen beschränkt. Polyphenylen-Dendrimermoleküle sind unter diesen Bewegungen formstabil. Zum anderen können sowohl schnelle, als auch langsame Phenylreorientierungen nachgewiesen werden, wobei jeweils die intramolekulare Packungsdichte der Phenylringe das dynamische Verhalten der Polyphenylen-Dendrimere kontrolliert.

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.

Relaxationsuntersuchungen in unterkühlten und glasig erstarrten Polyalkoholen mittels dielektrischer und NMR Spektroskopie

Es wurde eine homologe Reihe von Polyalkoholen mit der allgemeinen Summenformel CNHN+2(OH)N (N=3-6) hinsichtlich ihrer Glaseigenschaften ober- und unterhalb der Glasübergangstemperatur TG untersucht. Dabei kamen die dielektrische und magnetische Resonanzspektroskopie (NMR) zum Einsatz. Es ergab sich oberhalb TG eine systematische Zunahme aller untersuchten dynamischen Parameter wie Fragilität, Breite der angenommenen Korrelationszeitenverteilungen und der Sprungwinkel der primären Glasrelaxation mit zunehmendem N. Dies kann insgesamt als eine Abnahme des Netzwerkcharakters, der durch Wasserstoffbrückenbindungen bedingt ist, bei zunehmender Kettenlänge interpretiert werden. Unterhalb TG entwickelt sich mit zunehmendem N die Sekundärrelaxation von einem 'Wing Szenario' zu einem ausgeprägten Johari - Goldstein (JG) - Prozess. Ein Sprungmodell, welches eine eingeschränkte Reorientierung auf einem Konusrand beschreibt, erzeugt mit Hilfe der parametrisierten dielektrischen Verlustspektren Sprungwinkel, die mit denen aus aktuellen ²H - NMR spektroskopischen Untersuchungen vergleichbar sind. Durch den Vergleich unterschiedlich deuterierter Derivate von Glyzerin (N=3) und Sorbitol (N=6) wurde gefolgert, dass auch unterhalb TG der Netzwerkcharakter mit zunehmender Kettenlänge abnimmt.Aufgrund der hier durchgeführten Untersuchungen konnte eine Zeitskala für einen Johari - Goldstein - Prozess im Modellglasbildner Glyzerin extrapoliert werden. Eine Deutung des Wings als Hochfrequenzausläufer des JG - Prozesses ist dadurch möglich.Der JG - Prozess kann somit als universeller Glasprozess interpretiert werden, der in verschiedenen Glasbildnern in unterschiedlicher Ausprägung auftritt.

2 H-NMR und Viskositätsuntersuchungen zum Studium der molekularen Dynamik unterkühlter Flüssigkeiten unter Hochdruck

In der vorliegenden Arbeit wurde die Druckabhängigkeit der molekularen Dynamik mittels 2H-NMR und Viskositätsmessungen untersucht. Für die Messungen wurde der niedermolekulare organische Glasbildner ortho-Terphenyl (OTP) ausgewählt, da dieser aufgrund einer Vielzahl vorliegender Arbeiten als Modellsubstanz angesehen werden kann. Daneben wurden auch Messungen an Salol durchgeführt.Die Untersuchungen erstreckten sich über einen weiten Druck- und Temperaturbereich ausgehend von der Schmelze bis weit in die unterkühlte Flüssigkeit. Dieser Bereich wurde aufgrund experimenteller Voraussetzungen immer durch eine Druckerhöhung erreicht.Beide Substanzen zeigten druckabhängig ein Verhalten, das dem der Temperaturvariation bei Normaldruck sehr ähnelt. Auf einer Zeitskala der molekularen Dynamik von 10E-9 s bis zu 10E+2 s wurde daher am Beispiel von OTP ein Druck-Temperatur-Zeit-Superpositionsprinzip diskutiert. Zudem konnte eine Temperatur-Dichte-Skalierung mit rho T-1/4 erfolgreich durchgeführt werden. Dies entspricht einem rein repulsiven Potentialverlauf mit rho -12±3 .Zur Entscheidung, ob die Verteilungsbreiten der mittleren Rotationskorrelationszeiten durch Druckvariation beeinflußt werden, wurden auch Ergebnisse anderer experimenteller Methoden herangezogen. Unter Hinzuziehung aller Meßergebnisse kann sowohl eine Temperatur- als auch Druckabhängigkeit der Verteilungsbreite bestätigt werden. Zur Auswertung von Viskositätsdaten wurde ein Verfahren vorgestellt, das eine quantitative Aussage über den Fragilitätsindex von unterkühlten Flüssigkeiten auch dann zuläßt, wenn die Messungen nicht bis zur Glasübergangstemperatur Tg durchgeführt werden. Die Auswertung der druckabhängigen Viskositätsdaten von OTP und Salol zeigt einen sehr differenzierten druckabhängigen Verlauf des Fragilitätsindexes für beide Glasbildner. OTP zeigt zunächst eine leichte Abnahme und danach wieder eine Zunahme des Fragilitätsindexes, dieses Ergebnis wird auch von Simulationsdaten, die der Literatur entnommen wurden, unterstützt. Salol hingegen zeigt zunächst eine deutliche Zunahme und danach eine Abnahme des Fragilitätsindexes. Das unterschiedliche Verhalten der beiden Glasbildner mit ähnlichem Fragilitätsindex bei Normaldruck wird auf die Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb von Salol zurückgeführt.

Analyse von Biotransformationen und Naturstoffsynthesen in pflanzlichen Zellkulturen unter Anwendung der in vivo NMR-Spektroskopie ohne Markierung

Die Aufklärung von Biosynthesewegen erfolgt häufig mit Hilfe von Fütterungsexperimenten mit radioaktiven oder stabilen Isotopen markierten Präkusoren oder auf der Basis der Enzymreinigung mit anschließender molekularbiologischer Charakterisierung. Die erstgenannte Methode verlangt die Isolierung der Produkte. Jedoch besteht bei Aufarbeitung und Extraktion immer die Gefahr, daß sich der Metabolit teilweise oder vollständig chemisch verändert. Ein weiterer Nachteil der genannten Methoden ist, daß diese generell mühsam und zeitaufwendig sind. Mit Hilfe der in vivo NMR-Spektroskopie können diese Nachteile umgangen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Biotransformationen und Biosynthesesequenzen des Ajmalin-Biosyntheseweges mit Hilfe der in vivo NMR-Spektroskopie in Pflanzenzellkulturen von Rauvolfia serpentina und Rauvolfia serpentina x Rhazya stricta anhand der natürlichen 13C-Häufigkeit untersucht. Dafür wurden ein 700 MHz, 800 MHz und ein 500 MHz CryoProbe Spektrometer eingesetzt, um die Biotransformationen von Isatin-3-oxim und Isatin sowie die Metabolisierungen der Alkaloide Vellosimin, Vinorin, Vomilenin, Ajmalin, Nß-Methyl-dihydrochano-ajmalin und Perakin mit der 1H-13C invers korrelierten NMR-Spektroskopie zu verfolgen.

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.

Supramolecular order and dynamics of discotic materials studied by solid-state NMR recoupling methods

The topic of this thesis is the investigation of structure,order and dynamics in discotic mesogens by advancedsolid-state NMR spectroscopy. Most of the discotic mesogensunder investigation are hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC)derivatives which are of particular interest for potentialdevice applications due to their high one-dimensional chargecarrier mobilities. The supramolecular stacking arrangement of the discoticcores was investigated by 2D 1H-1H double-quantum (DQ)methods, which were modified by incorporating the WATERGATEsuppression technique into the experiments in order toovercome severe phase problems arising from the strongsignal of the long alkyl sidechains. Molecular dynamics and sample orientation was probed throughthe generation of sideband patterns by reconversion rotorencoding in 2D recoupling experiments. These experimentswere extended by new recoupling schemes to enable thedistinction of motion and orientation effects. The solid-state NMR studies presented in this work aim tothe understanding of structure-property relationships in theinvestigated discotic materials, while the experimentsapplied to these materials include new recoupling schemeswhich make the desired information on molecular orientationand dynamics accessible without isotope labelling.

Characterisation of supramolecular structures by novel recoupling methods in solid-state NMR

In this work, solid-state NMR methods suitable for the investigation of supramolecular systems were developed and improved. In this context, special interest was focussed on non-covalent interactions responsible for the formation of supramolecular structures, such as pi-pi interacions and hydrogen-bonds. In the first part of this work, solid-state NMR methods were presented that provide information on molecular structure and motion via the investigation of anisotropic interactions, namely quadrupole and dipole-dipole couplings, under magic-angle spinning conditions. A two-dimensional 2H double quantum experiment was developed, which is performed under off magic-angle conditions and correlates 2H isotropic chemical shifts with quasistatic DQ-filtered line shapes. From the latter, the quadrupole coupling parameters of samples deuterated at multiple sites can be extracted in a site-selective fashion. Furthermore, 7Li quadrupole parameters of lithium intercalated into TiO2 were determined by NMR experiments performed under static and MAS conditions, and could provide information on the crystal geometry. For the determination of 7Li-7Li dipole-dipole couplings, multiple-quantum NMR experiments were performed. The 1H-13C REREDOR experiment was found to be capable of determining strong proton-carbon dipole-dipole couplings with an accuracy of 500~Hz, corresponding to a determination of proton-carbon chemical-bond lengths with picometer accuracy In the second part of this work, solid-state NMR experiments were combined with quantum-chemical calculations in order to aid and optimise the interpretation of experimental results. The investigations on Calix[4]hydroquinone nanotubes have shown that this combined approach can provide information on the presence of disordered and/or mobile species in supramolecular structures. As a second example, C3-symmetric discs arranging in helical columnar stacks were investigated. In these systems, 1H chemical shifts experience large pi-shifts due to packing effects, which were found to be long-ranged. Moreover, quantum-chemical calculations revealed that helicity in these systems is induced by the propeller-like conformation of the core of the molecules.

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.

Supramolecular order and dynamics of functional materials studied by solid state NMR

The goal of this thesis was the investigation of the structure, conformation, supramolecular order and molecular dynamics of different classes of functional materials (phthalocyanine, perylene and hexa-peri-hexabenzocoronene derivatives and mixtures of those), all having planar aromatic cores modified with various types of alkyl chains. The planar aromatic systems are known to stack in the solid and the liquid-crystalline state due to p-p interactions forming columnar superstructures with high one-dimensional charge carrier mobility and potential application in photovoltaic devices. The different functionalities attached to the aromatic cores significantly influence the behavior of these systems allowing the experimentalists to modify the structures to fine-tune the desired thermotropic properties or charge carrier mobility. The aim of the presented studies was to understand the interplay between the driving forces causing self-assembly by relating the structural and dynamic information about the investigated systems. The supramolecular organization is investigated by applying 1H solid state NMR recoupling techniques. The results are related with DSC and X-ray scattering data. Detailed information about the site-specific molecular dynamics is gained by recording spinning sideband patterns using 1H-1H and 13C-1H solid state NMR recoupling techniques. The determined dipole-dipole coupling constants are then related with the coupling constants of the respective rigid pairs, thus providing local dynamic order parameters for the respective moieties. The investigations presented reveal that in the crystalline state the preferred arrangement in the columnar stack of discotic molecules modified with alkyl chains is tilted. This leads to characteristic differences in the 1H chemical shifts of otherwise chemically equivalent protons. Introducing branches and increasing the length of the alkyl chains results in lower mesophase transitions and disordered columnar stacks. In the liquid-crystalline state some of the discs lose the tilted orientation, others do not, but all start a rapid rotation about the columnar axis.