Viele Atome besitzen eine intrinsische Eigenschaft, den so genannten Kernspin, den man sich als schnelle Rotation des Atomkerns vorstellen kann, analog der Drehung der Erde um ihre Achse. Die Rotation des Atomkerns erzeugt ein kleines magnetisches Feld, ähnlich dem Feld eines Kühlschrankmagneten. Wird ein solcher Kernspin in ein starkes Magnetfeld gebracht, so kommt es zu einer kleinen Energieaufspaltung (Zeeman-Effekt) und die Atome mit Kernspin richten sich relativ zum Magnetfeld aus. Die Spektroskopie der Übergänge zwischen diesen Kernspinniveaus wird als Nuclear Magnetic Resonance (NMR) bezeichnet. Das eng verwandte bildgebende Verfahren in der Medizin ist das Magnetic Resonance Imaging (MRI). Der Betrag der Energieaufspaltung hängt von der chemischen Umgebung des Atoms ab, charakterisiert also Eigenschaften eines Stoffes. Obwohl die durch die chemische Umgebung des Atoms auftretenden Energieänderungen typischerweise bis zu fünfzehn Größenordnungen kleiner sind als zum Beispiel chemische Energien können sie im NMR-Spektrometer aufgelöst und bestimmt werden. Mit mathematischen Methoden lassen sich aus ihnen zum Beispiel die räumliche Struktur und Bewegung eines Moleküls, die Anordnung von Gastmolekülen auf Oberflächen von Nanomaterialien oder auch die Kinetik einer chemischen Reaktion bestimmen. Um auch sehr kleine Substanzmengen detektieren zu können, werden Hyperpolarisationsverfahren eingesetzt.
Der Vortrag gibt zunächst eine kurze Einführung in die NMR und die MRI und stellt danach einige typische Anwendungsbeispiele aus unserem Arbeitskreis aus den Bereichen der Materialuntersuchungen und der Biochemie vor.
Professor Gerd Buntkowsky studierte Physik an der Freien Universität Berlin, wo er im Jahr 1991 auch promoviert wurde. Er arbeitete dort als akademischer Rat und Privatdozent, bis er im Anschluss an seine Habilitation im Jahr 2000 im Jahr 2004 auf eine Professur für physikalische Chemie an die Friedrich-Schiller-Universität Jena berufen wurde. Im Jahr 2009 wechselte er an die Technische Universität Darmstadt, wo er ebenfalls eine Professur für physikalische Chemie inne hat. Im Jahr 2021 erhielt er gemeinsam mit einem internationalen Forschungsteam für die Erzeugung eines neu entwickelten und verbesserten Kontrastmittels für die Magnetresonanztomographie (MRT) mit Wasserstoffgas den Erwin-Schrödinger-Preis des Stifterverbands der Helmholtz-Gemeinschaft.
Bild: G. Buntkowsky, TU Darmstadt
