„Kernspinresonanz unter Hochdruck“

Mit der Kernspinresonanzspektroskopie, auch kurz NMR-Spektroskopie genannt, können Forscher die Struktur komplexer Moleküle untersuchen und die magnetischen Eigenschaften vieler Materialien bestimmen. Thomas Meier von der Universität Bayreuth und seine Kollegen haben nun einen Weg gefunden, auch Materialien unter hohem Druck mit der NMR-Spektroskopie zu erforschen. Dabei verwenden sie eine sogenannte Lenz-Linse, wie sie nun in der Zeitschrift „Science Advances“ berichten. Im Interview mit Welt der Physik berichtet der Wissenschaftler, wie die neue Methode unter anderem das Verständnis von weit entfernten Planeten verbessern könnte.

Welt der Physik: Was ist ein Kernspin?

Thomas Meier: Jegliche Art von Materie besteht aus Atomen, die sich aus Elektronen und Atomkernen zusammensetzen. Jeder Atomkern besitzt ein magnetisches Moment – den sogenannten Kernspin – den man sich wie einen kleinen Stabmagneten vorstellen kann. Befindet sich also ein Atomkern in einem Magnetfeld, fängt sein Kernspin an, sich zu drehen. Abhängig von der Stärke des Magnetfelds dreht sich der Spin mit einer charakteristischen Frequenz.

Thomas Meier

Und dieses Verhalten nutzen Sie für die NMR-Spektroskopie?

Ja, in der NMR-Spektroskopie verwendet man Magnetfelder, um beispielsweise auf die chemische Struktur von bestimmten Materialien rückzuschließen. Dafür verwendet man ein äußeres Magnetfeld, in dem sich zunächst die Kernspins der entsprechenden Probe ausrichten. Die Probe befindet sich im Inneren einer Spule, die zusätzlich ein schwaches Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld zeigt in eine andere Richtung als das äußere Magnetfeld. Nun richten sich die Kernspins für eine kurze Zeit nicht entlang des äußeren Magnetfelds, sondern entlang des schwächeren Feldes aus. Schalten wir das Magnetfeld der Spule aus, kehren die Kernspins in ihren Anfangszustand zurück. Wie sie das tun und wie lange sie dafür brauchen, hängt stark von den Kernen und ihrer direkten Umgebung ab. Und dieses Verhalten können wir detektieren.

Welche Informationen liefert eine solche NMR-Spektroskopie?

Grundsätzlich können wir herausfinden, welche Atome in einer Probe vorkommen und welchen Abstand sie zueinander haben. Der Kernspin des Wasserstoffatoms verhält sich im Magnetfeld zum Beispiel ganz anders als der Spin eines Aluminiumatoms. Deshalb wird die NMR-Spektroskopie oft in der Biologie eingesetzt, um sich die Struktur von sehr komplizierten Molekülen – wie zum Beispiel von Proteinen – anzusehen. In der Medizin ist die Methode unter dem Namen Magnetresonanztomografie bekannt. Hier wird sie verwendet, um Bilder des menschlichen Körpers zu machen. Für uns ist die Methode vor allem wichtig, weil man mit ihr die magnetischen Eigenschaften von Materialien bestimmen kann. Auch lassen sich Metalle und Isolatoren unterscheiden.

Woran forschen Sie?

Wir beschäftigen uns mit der Frage der Planetenentstehung, besonders der unserer Erde. Hierzu versetzen wir Erdmantelgesteine und Mineralien unter sehr hohen Druck, wie er auch im Inneren der Erde herrscht. Um das zu erreichen, pressen wir unsere Proben mit einem speziellen Gerät – einer sogenannten Diamantstempelzelle – zusammen. So erreichen wir einen Druck von etwa einer Million Bar. Um die magnetischen Eigenschaften unserer Proben unter hohem Druck zu untersuchen, benötigen wir die NMR-Spektroskopie. Doch dabei traten Probleme auf.

Welche Probleme waren das?

Das größte Problem bestand darin, die Spule zu platzieren, die das zusätzliche Magnetfeld erzeugt. Setzte man sie in das Gerät zur Erzeugung des Hochdrucks, verformte sie sich und lieferte ungenaue Ergebnisse. Da die Gesteinsproben im Vergleich zur Spule sehr klein sind, wurde das Positionieren zusätzlich erschwert. Die Proben haben einen Durchmesser von ungefähr hundert Mikrometern, also einem zehntel Millimeter.

Probenhalter für die NMR-Spektroskopie

Und wie haben Sie das Problem gelöst?

Wir verwenden nun eine kürzlich von Jan Korvink vom Karlsruher Institut für Technologie und seinen Kollegen entwickelte sogenannte Lenz-Linse. Diese fokussiert das Magnetfeld der Spule auf die kleine Probe. Und so kann die Spule außerhalb des Hochdrucks platziert werden. Das NMR-Experiment funktioniert dabei wie zuvor und die Eigenschaften der Probe lassen sich sehr genau bestimmen. Für die Hochdruckforschung ist diese Neuerung wirklich fantastisch. Es gibt sehr viele Fragestellungen, die wir jetzt untersuchen können.

Was wird Ihr nächstes Forschungsziel sein?

In Zukunft wollen wir mit der Methode unter anderem Hochdruckeis untersuchen. Uns interessiert, wie größere Planeten, die aus relativ viel Wasser oder Eis bestehen – die sogenannten Eisriesen –, ein Magnetfeld aufbauen können. Die Frage ist, ob die Wasserstoffatome im Eis unter Druck frei beweglich werden und durch diese Bewegung ein Magnetfeld erzeugen. Damit könnte man erklären, wie die stabilen Magnetfelder dieser Planeten entstehen.