NMR-Untersuchungen und theoretische Ansätze zur Korrelation des Diffusionsverhaltens in komplementären Porenräumen

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Jüngste Erfolge der Synthesechemie erlauben die Herstellung inverser Replikate nanoporöser Materialien, in denen die Feststoffmatrix des einen Materials gerade den Porenraum des anderen Materials darstellt, diese Materialien also zueinander komplementäre Porenräume besitzen. Die als Nanocasting bezeichnete Möglichkeit zur Herstellung solcher Strukturen eröffnet einen völlig neuen Zugang zur Schaffung nanostrukturierter poröser Materialien und zu deren Anpassung an die Erfordernisse ihrer jeweiligen technischen Applikation in Adsorption, Katalyse, Sensorik oder als Wirtsystem für opto-elektronische Bauelemente. Da in vielen dieser Anwendungen die Transportgeschwindigkeit der Gastmoleküle für deren Effizienz entscheidend ist, führt diese neue Qualität im Spektrum nanoporöser Materialien allein schon aus praktischen Erwägungen zu der Fragestellung nach Korrelationen im Diffusionsverhalten in komplementären Porenräumen. Der besondere, grundlagentheoretische Reiz dieser Aufgabe besteht in der Fragestellung, unter welchen Bedingungen auch für das Diffusionsverhalten eine - dem Babinetschen Theorem der Streutheorie vergleichbare, wenn auch vermutlich weitaus kompliziertere - Relation zur Beschreibung des Einflusses der Invertierung von Strukturen auf die resultierenden Messgrößen zu erwarten ist. Zur Bearbeitung haben sich zwei Gruppen zusammengefunden, deren Expertise auf den entscheidenden Teilaspekten der Aufgabenstellung liegt, nämlich der Vorhersage und der Messung von Diffusionserscheinungen in komplexen Systemen. Das Projekt umfasst zwei, zunächst relativ eigenständig nebeneinander stehende, Aufgabenkomplexe. Einerseits sollen in experimentellen Arbeiten, vorwiegend mittels PFG NMR, solche, dem aktuellen Stand der Synthesetechnik entsprechende, Material-Paare mit komplementären Porenstrukturen ausgewählt und hinsichtlich ihres Diffusionsverhaltens systematisch untersucht werden, die für beide Systeme bestmögliche Messbedingungen erlauben. Tragende Säulen für diese Arbeiten sind die eigenen Erfahrungen beim Einsatz der PFG NMR-Diffusionsmesstechnik für poröse Materialien und die Kooperation mit dem MPI für Kohlenforschung Mülheim und dem Institut für Technische Chemie der Universität Halle-Wittenberg zur Sicherung der Materialbasis. Andererseits werden in theoretischen Arbeiten, in den gleichermaßen analytische Ansätze und dynamische Simulationen zum Einsatz kommen, die Korrelationen des Random Walk in komplementären Räumen untersucht und die (topologischen) Bedingungen spezifiziert, unter denen diese Korrelationen zu besonders einfachen Beziehungen führen.