Forschungsbericht 1997

Sprecher: Prof. Dr. Dieter Michel (03 41) 9 73 26 01

Beteiligte Einrichtungen

Fakultät für Physik und Geowissenschaften der Universität Leipzig


Institut für Experimentelle Physik I

Institut für Experimentelle Physik II

Institut für Theoretische Physik

Fakultät für Chemie und Mineralogie der Universität Leipzig


Institut für Technische Chemie

Medizinische Fakultät der Universität Leipzig


Institut für Medizinische Physik und Biophysik

Martin-Luther-Universität Halle/Wittenberg, Fachbereich Chemie


Institut für Technische und Hochpolymerchemie

Die Zielstellung des Sonderforschungsbereiches 294 ist die Untersuchung und Klärung des Einflusses von Grenzflächen auf physikalische Eigenschaften von Molekülen und molekularen Systemen und bei fluiden Grenzflächen gleichzeitig die Rückwirkung der Moleküle auf die Eigenschaften der Grenzflächen.

Forschungsprojekte

Projektbereich C - Struktur und Ordnung

• Forschungsthema

  C2 Untersuchung der Konformation und Reaktivität von Molekülen in mikroporösen Materialien

  Bearbeiter

  Prof. Dr. D. Michel, Dr. A. Pöppl, Dr. W. Böhlmann, DP J. Roland, DP T. Rudolf

  Kurzbeschreibung

  Im Mittelpunkt steht die Untersuchung der räumlichen und elektronischen Struktur und der Dynamik von Molekülen in Wechselwirkung mit porösen Festkörpern. Dazu kommen Methoden der mehrdimensionalen NMR- Spektroskopie zum Einsatz. Das Projekt befaßt sich weiterhin mit der Synthese von mesoporösen zeolithischen Adsorbentien vom Typ MCM-41 und von Zeolithen des Typs NaX, NaY und ZSM-5. Mit Hilfe von modernen Verfahren der hochauflösenden CW- und Impuls-ESR-Spektroskopie an NO- Sondenmolekülen werden Lewis-Zentren an diesen Molekularsieben und Zeolithen charakterisiert.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  C4 Schichtsilikate als Matrixmaterialien für Moleküle und Grenzflächen - Zusammenhang zwischen Präparationsbedingungen und der Struktur sowie Transport-und Wechselwirkungsphänomenen

  Bearbeiter

  PD Dr. W. Schwieger, Dr. R. Hermann, Dr. K. Kesore

  Kurzbeschreibung

  Die Untersuchungen zum Studium von Wechselwirkungs- und Transportphänomenen in Molekülschichten (Modellmembranen) konzentrierten sich auf den Aufbau dieser Schichten im System n- Alkylammoniumkation/schichtsilikat. Es wurden bimolekulare Schichten zwischen den Schichtsilikatpaketen des Ilerits mit dem Ammoniumkation n- Dodecyltrimethylammoniumchlorid und n-Cetylpyridiniumchlorid aufgebaut und charakterisiert.Es wurden dabei, bezogen auf die Ionenaustauschkapazität des Schichtsilikats, unterschiedliche Austauschgrade und damit unterschiedliche Packungsdichten im Zwischenschichtraum realisiert. Darüber hinaus wurde die Anordnung der langkettigen Tensidmoleküle in den Zwischenschichten in Abhängigkeit von der Molekülart und der Packungsdichte charakterisiert.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  C7 Hydratation von Lipid-Modellsystemen

  Bearbeiter

  Prof. Dr. G. Klose, Prof. Dr. H. Schmiedel, Dr. B. Mädler, Dr. V. Kukla, DP K.- P. Schneider, DP H. Pfeiffer

  Kurzbeschreibung

  Bei der Untersuchung von polymerisierbaren Lipiden mit Diengruppen wurde die Erkenntnis gewonnen, daß die Hydratationskraft im wesentlichen chemischen Ursprungs zu sein scheint (H-Brücken). Lipide mit terminalen Diengruppen neigen zu fluiden Phasen. Die Modifizierung des Phasenverhaltens von Lipiden durch Detergenzien vom C12 EOn-Typ konnte unter Verwendung des Molekülform-Konzeptes unter Einbeziehung der Hydrathülle sowie des Ordnungszustandes der Fettsäurekette gegeben werden. Am Beispiel des Moenomyzin wurde der signifikante Einfluß geladener Gruppen auf die Mizellbildung komplexer Tenside studiert.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  C8 2D-MAS-NMR-Untersuchungen an Modellmembranen und membranassoziierten Polypeptiden

  Bearbeiter

  PD Dr. F. Volke, Prof. Dr. D. Michel, DP A. Pampel

  Kurzbeschreibung

  Mit Hilfe der hochauflösenden MAS-NMR werden Struktur, Dynamik und Lokalisation von membranassoziierten Polypeptiden bestimmt. Das erfolgt in Kombination mit 2D-NMR Verfahren und Molecular Modelling. Es ist erstmalig gelungen, alle Signale eines Polypeptides in Membranumgebung zuzuordnen und die Lokalisation in der Membran zu bestimmen. Voraussetzung waren die Entwicklung von Verfahren zur Verbesserung der spektralen Auflösung. Erstmalig werden Membran-Mimetika verglichen, indem die Struktur eines Polypeptides in organischen Lösungsmitteln, in Mizellen, in Vesikeln und in multilamellaren Schichten bestimmt wird.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  C9 Molekulare Polymer-Grenzflächenschichten

  Bearbeiter

  Prof. Dr. M. Lösche, DC V. Hartmann, DP P. Krüger

  Kurzbeschreibung

  Molekulare Polyelektrolyt-Grenzflächenschichten sind interessante Systeme für die Funktionalisierung von Oberflächen mit molekular wohldefinierten Strukturen. Die Wechselwirkungen zwischen den Konstituenten dieser Systeme (anorganisches Substrat, Polyelektrolyt-Moleküle, Gegenionen, Wasser), die den Aufbau der molekularen Überstruktur bestimmen, werden im Projekt untersucht. In einem zweiten Projektschwerpunkt werden monomolekulare Filme leitfähiger Polymere (Polyanilin) an der Wasser/Luft- Grenzfläche hergestellt und nach Übertrag auf Festkörper-Substrate in bezug auf ihre molekulare Ordnung mittels Raster-Tunnel-Mikroskopie charakterisiert.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  C10 Protein-Wechselwirkungen mit planaren Lipid-Modellmembranen

  Bearbeiter

  Prof. Dr. M. Lösche, DP M Weygand, DP M. Schalke

  Kurzbeschreibung

  Protein-Wechselwirkungen mit lipidfunktionalisierten Grenzflächen werden im Hinblick auf die komplexen gegenseitigen Einflüsse untersucht, welche die Systemkomponenten, Lipid und Protein, aufeinander ausüben. Die Bildung monomolekularer Schichtkristalle bakterieller S-Schicht-Proteine unter Phospholipid-Oberflächenmonoschichten auf Wasser wird mittels Röntgendiffraktion, Neutronen-Reflektometrie und FTIR-Spektroskopie charakterisiert. Die molekularen Mechanismen der Kopplung und die gegenseitige Beeinflussung von Protein und Lipid in solchen supramolekularen Aggregaten sind ungeklärt und werden im Projekt untersucht.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

  Projektbereich D - Katalyse, Relaxation und Stofftransport

• Forschungsthema

  D1 Untersuchungen von Elementarschritten der heterogenen Katalyse - Aufklärung des Reaktionsmechanismus der n-Buten- Isomerisierung an Ferrierit und ähnlichen Zeolithen

  Bearbeiter

  Prof. Dr. H. Papp, DC D. Rutenbeck, DC E. Reuter, DC P. Ivanov, DC A.R. Puati

  Kurzbeschreibung

  Ziel des Teilprojektes ist die Aufklärung des Reaktionsmechanismus der Isomerisierung von n-Buten an unterschiedlichen Molekularsieben, wobei der Schwerpunkt beim Katalysator Ferrierit liegt. Die Analyse der Reaktionsprodukte bisheriger katalytischer Untersuchungen an Ferrierit und H- ZSM-5 sowie die Ergebnisse von Simulationsberechnungen lassen die Schlußfolgerung zu, daß die Formselektivität den entscheidenden Einfluß auf den Reaktionsmechanismus (entweder mono- oder bimolekular) ausübt und die Acidität nur eine untergeordnete Rolle spielt.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  D2 Temperaturgeschaltete in situ-MAS NMR-Spektroskopie zur Aufklärung des Mechanismus der n-Buten-Isomerisierung in Zeolithen

  Bearbeiter

  Prof. Dr. D. Freude, PD Dr. H. Ernst, Dr. T. Mildner, Ing. D. Prager

  Kurzbeschreibung

  Bei der Hochtemperatur-in situ-MAS NMR-Spektroskopie (magic-angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy) wird die mittels eines Lasers erzeugte sprunghafte Änderung der Temperatur ausgenutzt. Die bisher einzigartige Technik der Laser-Heizung abgeschmolzener Glasröhrchen im MAS-Rotor erlaubt Meßtemperaturen bis 800 K bei moderaten Temperaturgradienten und kurzer Aufheizzeit (15 s bis 600 K). Ziel ist die Aufklärung von Elementarschritten der heterogen Katalyse in Zeolithen. Die n-Buten-Isomerisierung in Zeolithen wird in Zusammenarbeit mit Herrn Professor Papp und Mitarbeitern untersucht, siehe Teilprojekt D1.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  D3 Diffusionsmessungen zur Strukturuntersuchung mikro- und mesoporöser Materialien

  Bearbeiter

  Prof. Dr. J. Kärger, Dr. W. Heink, Dr. H. Schäfer, DI G. Seiffert, DI B. Knorr, DP C. Krause, DP N.-K. Bär, DP U. Schemmert, L. Moschkowitz

  Kurzbeschreibung

  Gegenstand des Projektes ist ein systematisches Studium der Besonderheiten des molekularen Stofftransportes unter dem Einfluß fester Grenzflächen, wofür insbesondere das zur Untersuchung der Moleküldiffusion in Heterosystemen leistungsfähigste Verfahren der PFG-NMR eingesetzt wird. Neben dem begonnenen Aufbau eines weiteren Feldgradienten-NMR- Spektrometers wird an der Vervollkommnung des zur direkten Beobachtung der Transportdiffusion geeigneten Verfahrens, der Interferenzmikroskopie, gearbeitet. Mit der Untersuchung der Diffusion in ungeordneten, intrakristallinen Porennetzwerken (NaCaA mit variablem Ca++-Gehalt) wurde begonnen, die Arbeiten zur Strukturaufklärung neuer poröser Materialien (MCM-41) und zum Stofftransport in Systemen niedriger Dimensionalität wurden fortgesetzt.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  D4 Molekularer Transport in mehrphasigen Polymersystemen

  Bearbeiter

  PD Dr. G. Fleischer, DC F. Rittig

  Kurzbeschreibung

  Zwei Richtungen wurden in diesem Teilthema bearbeitet, der Einfluß fluider und der Einfluß fester Grenzflächen auf das Diffusionsverhalten von Polymermolekülen und niedermolekularen Analoga. Bei den fluiden Grenzflächen wurde gefunden, daß die Mikrophasenseparation in Diblockcopolymer-Lösungen und -Schmelzen im Zusammenhang mit der Ausbildung einer Röhre den Transportprozeß verlangsamt. Als feste Grenzflächen dienten poröse Gläser und Kohlen. Die Beeinflussung des Transportprozesses ist hier ein Wechselspiel von Poren- und Diffusantgröße. Auch in einigen micellaren Systemen wurde der Einfluß der Phasenstruktur auf den Transportprozeß aufgeklärt.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  D5 Molekulare Dynamik von Polymergerüst, Lösungsmittel und Ionen im Knorpel. Zusammenhänge zum Schwellungsverhalten

  Bearbeiter

  Prof. Dr. K. Arnold, Dr. S. Lüsse, PD Dr. D. Wiegel

  Kurzbeschreibung

  Im Projekt wird die Funktion des Knorpels aus der Analyse der inneren Kräfte, die das Schwellungsverhalten und die Transportprozesse bestimmen, untersucht. Dabei kommen physikalische Meßtechniken wie Schwellungsmessungen, Adsorptionsmessungen, Oberflächenspannungsmessungen und verschiedene NMR-Verfahren zum Einsatz. Weiterhin wird mit Moleküldynamiksimulationen die Wechselwirkung von Knorpeluntereinheiten mit Wasser untersucht, um molekulare Prozesse aufzuklären. Es werden medizinisch relevante Aussagen über die dynamischen Eigenschaften und Beweglichkeit der Komponenten des Knorpels, die Wechselwirkung des Knorpels mit Wasser und Ionen und über Diffusionsprozesse im Knorpel erhalten.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  D7 Molekulare Dynamik und viskoelastische Eigenschaften von Molekülen in Wechselwirkung mit Grenzflächen

  Bearbeiter

  Prof. Dr. F. Kremer, Dr. N. Klöpper, Dr. M. Arndt

  Kurzbeschreibung

  Im Teilprojekt wurde insbesondere die molekulare Dynamik von Molekülen in der Nähe von Grenzflächen untersucht. Dazu wurden organische Glasbildner in ein nanoporöses Medium eingebracht (Porendurchmesser 2,5 nm, 5 nm und 7,5 nm) und ihre molekulare Dynamik in einem weiten Frequenzbereich von 10-2 Hz bis 1010 Hz untersucht. Es zeigt sich, daß bei wasserstoffbrückenbildenden Systemen die molekulare Dynamik durch die Wechselwirkung mit der Grenzfläche verlangsamt wird. Dieser Oberflächeneffekt kann durch eine Silanisierung der Grenzflächen aufgehoben werden. In van der Waals Gläsern, wie z.B. Salol, zeigt sich ein entgegengesetzter Effekt, der Confinement-Effekt, der darin besteht, daß eine molekulare Dynamik um so schneller wird, je einschränkender eine Geometrie ist. Dieses scheinbare paradoxe Verhalten folgt daraus, daß dem dynamischen Glasübergang eine Längenskala zugrunde liegt, die mit abnehmender Temperatur anwächst.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  D8 Tiltwinkeldynamik in Phasen monomolekularer Filme

  Bearbeiter

  Prof. Dr. F. Kremer, Dr. T. Fischer

  Kurzbeschreibung

  Das Projekt beschäftigt sich mit dem statischen und dynamischen Verhalten monomolekularer Filme an der Wasser/Luft-Grenzfläche. Mittels der im Teilprojekt D8 entwickelten Brewsterwinkel-Autokorrelations-Spektroskopie (BAAS) wurden unterschiedliche Ordnungsparameter, wie Tilt- und Tiltazimuthwinkel, in kondensiert flüssigen Phasen von Monolayern quantifiziert. Im Phasendiagramm langkettiger Alkohole konnten Hystereseeffekte in der Nähe von Tripelpunkten nachgewiesen werden. In Kooperation mit Teilprojekt C10 konnte anhand von Röntgendiffraktion unter streifendem Einfall (GIXD) die Präzision der Tiltwinkelbestimmung mittels BAAS dokumentiert werden. Die Polymerisationskinetik von o- Pentadecylanilin an der Wasser/Luft-Grenzfläche wurde innerhalb einer weiteren Kooperation mit dem Teilprojekt C9 gemessen.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  D9 Struktur und Dynamik freitragender flüssigkristalliner Filme

  Bearbeiter

  PD Dr. R. Stannarius, DP H. Amm

  Kurzbeschreibung

  Im Teilprojekt wurden statische und dynamische Eigenschaften freitragender smektischer Flüssigkristallfilme untersucht. Dabei standen Experimente mit smektischen Seifenblasen im Vordergrund. Solche Systeme sind im Rahmen dieses Teilprojektes des SFB erstmalig beobachtet und beschrieben worden. Sie bieten die Möglichkeit, mit elementaren Untersuchungsmethoden wichtige Grenzflächeneigenschaften zu analysieren, z. B. Oberflächenspannungen, und ermöglichen vollkommen neue Untersuchungsmöglichkeiten smektischer Flüssigkristalle. Eine Reihe bisher unbekannter Effekte elektrischer Felder auf smektische Filme konnte beschrieben werden.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

  Projektbereich E - Theorie und Simulation

• Forschungsthema

  E1 Statistische Theorie und Simulationen von Transportphänomenen an Grenzflächen (Zeolithen)

  Bearbeiter

  Prof. Dr. R. Haberlandt, Dr. S. Fritzsche, DP M.Gaub, DP A. Schüring,

  Kurzbeschreibung

  Für die Diffusion von Xe/CH4 in Silikalit zeigten MD Rechnungen nur eine Beeinflussung des CH4 durch Xe (nicht umgekehrt). Gemeinsame Messungen mit Teilprojekt D3 ergaben gute Übereinstimmung. Für einen A-Zeolith wurde: a) die van Hove Funktion berechnet (CH4), b) der Einfluß von Gitterschwingungen auf Diffusionskoeffizienten (CH4) als vernachlässigbar festgestellt (im Gegensatz zu Auffassungen in der Literatur), c) MD von C2H6 führte auf interessante Effekte z.B. einen Abfall des Diffusionskoeffizienten mit der Temperatur bei niedrigen Dichten.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  E2 Statistische Theorie und Computersimulation von Struktur und Thermodynamik von Fluiden an Oberflächen und in Hohlräumen mit Anwendung auf polare Grenzflächen

  Bearbeiter

  Dr. H.-L. Vörtler, Dr. J. Galle, DP M. Kettler

  Kurzbeschreibung

  Es wurden schwerpunktmäßig molekulare und wäßrige Fluide in Schlitzporen untersucht. Mittels großkanonischer und Gibbs-Simulation wurden Phasengleichgewichte von Alkanen (Kihara-Fluiden), die über eine Bulk- und eine Porenregion verteilt sind, berechnet. Mittels spezieller Modelle (PM Water) wurde die Struktur wäßriger Phasen in planaren Schlitzen simuliert. Die Studien wurden von glatten zu molekular rauhen Grenzflächen ausgedehnt. Es wurden Dichteprofile, Cluster und assoziative Netzwerke erhalten, die zur Interpretation der Hydratation an Lipidschichten beitragen.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)

• Forschungsthema

  E3 Theorie der Diffusion und Katalyse in eindimensionalen Kanalsystemen

  Bearbeiter

  Prof. Dr. J. Kärger, Dr. K. Hahn, DP C. Rödenbeck

  Kurzbeschreibung

  Die Diffusion und deren Zusammenhang mit der Ausbeute katalytischer Reaktionen in eindimensionalen zeolithischen Kanalsystemen werden sowohl experimentell (PFG-NMR, Licht-und Neutronenstreuung) als auch mit numerischen (Moleküldynamik, Monte-Carlo-Simulationen) und analytischen Methoden untersucht. Gegenwärtiger Schwerpunkt der Arbeiten sind die Studien zum Einfluß des Verhaltens an den Kanalrändern und von Störstellen. Dabei wurde eine neue analytische Methode (Spiegelungsprinzip) entwickelt, die es erlaubt, die Wirkung vieler Parameter einzubeziehen. Es wurden allgemeingültige Zusammenhänge zwischen verschiedenen Systemgrößen gefunden.

  Weiterführung

  ja

  Finanzierung

  Drittmittel (DFG)