Neue Einblicke in die Materie

Forschern der Uni Bayreuth und des Karlsruher Instituts für Techno­logie ist es erst­mals gelungen, die magne­tische Kern­resonanz­spektro­skopie in Experi­menten anzu­wenden, bei denen Material­proben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erd­mantel – analy­siert werden. Das Ver­fahren ver­spricht neue Erkennt­nisse über Elementar­teilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders ver­halten als unter Normal­bedin­gungen. Es wird voraus­sicht­lich techno­lo­gische Inno­va­tionen fördern, aber auch neue Ein­blicke in das Erd­innere und die Erd­geschichte, ins­be­sondere die Bedin­gungen für die Ent­stehung von Leben, ermög­lichen.

Röntgenkristallographische Verfahren haben in der geo- und material­wissen­schaft­liche Hoch­druck­forschung immer wieder zu über­raschenden Erkennt­nissen über Struk­turen und Ver­haltens­weisen von Materie geführt. Aller­dings konnte die Kern­resonanz­spektro­skopie, die beispiels­weise sehr erfolg­reich zur Auf­klärung der Struk­turen und Inter­aktionen von Bio­mole­külen ange­wendet wird, in der Hoch­druck­forschung bisher nicht ein­ge­setzt werden. Eine tech­nische Hürde stand im Weg: Es war bisher kaum möglich, die für die Kern­resonanz­spektro­skopie wich­tigen Magnet­felder auf die winzigen Proben in einer Diamant­stempel­zelle zu fokus­sieren und die dadurch erzeugten Signale zu messen.

Im August 2017 aber veröffentlichten Wissenschaftler des KIT eine neue Methode, die es erlaubt, die Kern­resonanz­spektro­skopie für hoch­präzise Unter­suchungen auf kleinstem Raum ein­zu­setzen. Hier­für haben sie magne­tische Lenz-Linsen ent­sprechend weiter­ent­wickelt. „Diese Forschungs­ergeb­nisse haben bei uns sofort die Über­legung aus­ge­löst, ob sich Lenz-Linsen in den Diamant­stempel­zellen so instal­lieren lassen, dass sie Kern­resonanz­spektro­skopie-Experi­mente unter hohen Drücken ermög­lichen“, sagt Leonid Dubro­vinsky von der Uni Bayreuth. In kurzer Zeit gelang es durch inten­sive Zusammen­arbeit, die Diamanten in den Stempel­zellen mit den neuen Lenz-Linsen so zu kombi­nieren, dass die in den Zellen ein­ge­schlos­senen Material­proben kern­resonanz­spektro­skopisch unter­sucht werden können. In ersten Experi­menten wurden die Proben Drücken von 72 Giga­pascal aus­ge­setzt, wie sie im unteren Erd­mantel herrschen.

„Das Portfolio der röntgenkristallographischen Verfahren, die uns bisher für die geo- und materialwissenschaftliche Hochdruckforschung zur Verfügung standen, wird durch die Kern­resonanzspektro­skopie jetzt erheb­lich erweitert. Die mög­lichen Anwendungs­felder sind noch gar nicht abseh­bar. Wir können jetzt das Ver­halten von Elek­tronen und Atom­kernen in physi­ka­lisch und geo­lo­gisch wich­tigen Systemen mit einer viel höheren Präzi­sion unter­suchen als bisher“, erklärt Dubro­vinsky. „Diese Erkennt­nisse können inno­vative Ent­wick­lungen, beispiels­weise in der Energie- oder der Medizin­technik, voran­bringen. Viel­leicht werden sie uns eines Tages auch dabei helfen, das große Rätsel zu klären, wie das Leben auf der Erde ent­standen ist“, meint der Wissen­schaftler.

U. Bayreuth / RK