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Prof. Dr. Siegfried Stapf

Fachgebietsleiter

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INHALTE

Themen für Bachelor- und Masterarbeiten

Vorschläge für Bachelor- und Masterarbeiten, Technische Physik II

Hinweis: Stand April 2020 – Themen können sich kurzfristig ändern. Alle Themen sind prinzipiell als Masterabeit geeignet, sowie auch als Bachelorarbeit, sofern dies angegeben ist. Für Rückfragen wenden Sie sich bitte per Email oder telefonisch an:

Siegfried Stapf, Tel. 3671 – Carlos Mattea, Tel. 3787

Themen

1. (Bachelor/Master) NMR-Studien an Modell-Marsböden

Kann ein mobiler NMR-Sensor auf dem Mars die Diffusion von Wasser messen? Welcher Zusammenhang besteht für tief eutektische Salzgemische?

Es handelt sich um die Fortsetzung zweier Bachelorarbeiten, in denen Eisen-, Salz- und Wasserkonzentrationen bei Raumtemperatur variiert wurden. In diesem Projekt geht es nun darum, flüssiges Wasser unter realistischen Bedingungen der Marsoberfläche (gesättigte Chlorat-Lösungen, eisenhaltige Sande, T=200 K und darüber) zu messen – Relaxation und Diffusion.

Schwerpunkt: Probenherstellung, Experiment; Dokumentation

 

2. (Bachelor/Master) NMR-Multipulsverfahren für Polymere und geordnete Systeme

Wie kann das mittlere Verschiebungsquadrat von Molekülen anhand neuartiger Echo-Verfahren ermittelt werden? Welche Einsatzmöglichkeiten ergeben sich für biologische Proben und poröse Medien?

Für die Dynamik in Polymerschmelzen wurde ein robustes Multiecho-Verfahren entwickelt, welches das mittlere Verschiebungsquadrat für anomale Diffusion (subdiffusive Prozesse) in einem Zeitbereich ermittelt, der mit anderen Verfahren nicht zugänglich ist. Die Methode soll nun auf neue Polymere, Biomakromoleküle und Flüssigkeiten in porösen Medien angewandt werden. Das Gerät gestattet die Temperierung bis etwa 470 K.

Schwerpunkt: Experiment, Datenanalyse, Theorie

 

3. (Master) Konstruktion und Einsatz einer Druckzelle zur definierten Deformation von Gewebe- und Elastomerproben

Wie muss eine nichtmagnetische Druckzelle aussehen, die Proben deformiert und zugleich den Druck mißt?

Design, Dimensionierung und Bau (3D-Druck) einer Druckzelle für weiche Proben (Knorpel, Sehnen, Gummi) aus nichtmetallischem Material, geeignet zum Einbau in Niederfeld-Magneten, incl. Messung der Kraft und Deformation, Testmessungen

Schwerpunkte: Konstruktion, Literaturarbeit

 

4. (Master) Rheologie an Polymerschmelzen im Magnetfeld

Kann mechanische Belastung die Moleküldynamik messbar beeinflussen?

Nutzung einer vorhandenen Apparatur zur systematischen Analyse der Veränderung der NMR-Relaxationseigenschaften von gescherten Polymerschmelzen und ggf. anderen komplexen Fluiden mit spektraler Auflösung. Messungen entweder im Hochfeld oder im variablen Feld (Field-Cycling Relaxometer).

Schwerpunkte: Probenpräparation, Messung; Dokumentation und Optimierung der Messparameter; Datenanalyse und Literatur

 

5. (Bachelor/Master) Rheometer am Niederfeld-Sensor NMR-MOUSE

Wie kann ein oszillierendes Rheometer für die NMR-MOUSE konstruiert und getestet werden?

An einer NMR-MOUSE wird gegenwärtig eine existierende Rheologie-Zelle (kontinuierliche Rotation) optimiert. Diese muss getestet und an verschiedenen Stoffsystemen eingesetzt werden (Umfang einer Bachelorarbeit).

Als nächste Ausbaustufe planen wir eine oszillierende Rheologie-Zelle (SAOS, Small Amplitude Oscillatory Shear), die der Magnetfeldgeometrie genau angepasst ist. Hierfür wurden in 2019 weltweit zwei vergleichbare Systeme konstruiert. Das Gerät soll kalibriert und anhand von bekannten Testproben verifiziert werden (Umfang einer Masterarbeit ab Mitte 2020).

Schwerpunkte: Design und Bau; Messung, Dokumentation und Optimierung der Messparameter; Interaktion mit anderen Arbeitsgruppen

 

6. (Master) Konstruktion einer miniaturisierten Temperierungszelle für die NMR-MOUSE

Wie kann die Temperatur eines dünnen Objektes isoliert von der Umwelt geregelt werden?

Ein Objekt mit ca. 2 mm Dicke ist in einem Abstand von ca. 2 mm vom Permanentmagneten zu temperieren, wobei die Magnettemperatur konstant bleiben muss: Verwendung mikrofluidischer Elemente mit Heiz- und Kühlkreislauf oder/und Peltierelemente, Aufbau einer Regelung mit Messsonden im Vor- und Rücklauf (ein Vorbild aus der Literatur existiert).

Schwerpunkte: Konstruktion, Regelung, Elektronik

 

7. (Master) Aufbau von Routine-Messverfahren an einem Halbach-Magneten

Wie können existierende NMR-Messmethoden an einem begrenzt homogenen und feldveränderlichem Ringmagneten effektiv umgesetzt werden?

Einsatz einer bestehenden Mess- und Optimierungssoftware an einem Halbach-Ringmagneten zur Erweiterung auf manuell oder motorisiert verstellbare Feldstärke durch Rotation; Homogenisierung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Feldstärke, Optimierung von Mess- und Steuerroutinen

Schwerpunkte: Programmieren, Experiment, automatisierte Datenauswertung

 

8. (Bachelor/Master) Deuterierte Polymermischungen in Confinement

Wie beeinflusst der Einschluss in enge Poren die Dynamik von Polymerschmelzen?

Im Fachgebiet bearbeiten wir ein langjähriges Projekt zur Analyse von Polymerschmelzen anhand unterschiedlich isotopenverdünnter Mischungen von Polyethylenoxid (sowohl 1H als auch 2H-Resonanz). Ein Teilaspekt des DFG-Projektes untersucht die Frage, welche Unterschiede sich in der Dynamik beim Einschluss in starre poröse Medien (z.B. Vycor-Glas, 4 nm, als etablierter Standard) ergeben. In der Literatur gelang bisher nur die Messung von undeuterierten PEO.

Schwerpunkte: Probenpräparation, Experiment

 

9. (Master) Konstruktion einer Einheit mit Feldmodulationsspulen

Wie sind Feldmodulationsspulen zur Durchführung des Integrated Solid Effects zu dimensionieren?

Dynamische Nukleare Polarisation (DNP) ist eines der Verfahren, die gegenwärtig für die Signalsteigerung in der NMR eingesetzt werden; sie beruht auf der Bestrahlung mit Mikrowellen. Für viele Stoffe mit breiten Absorptionslinien ist aber die Anregung durch MIkrowellen viel zu schwach, hier muss das Magnetfeld mit hoher Frequenz moduliert werden, um die gesamte Breite des (Elektronen-)Spektrums abzudecken. Hierzu müssen Zusatzspulen konstruiert werden, die nahe an der Probe liegen, um die nötigen Stromstärken und Aufheizeffekte zu minimieren. Die Konstruktion orientiert sich an kommerziellen Lösungen für Feldgradientenspulen.

Schwerpunkte: Design, Konstruktion – Elektronikkenntnisse

 

10. (Bachelor/Master) Flüssigkeitsgemische in porösen Medien und Gesteinen

Wie verteilen sich benetzende und nicht-benetzende Flüssigkeiten an Oberflächen? Wie sind diese messtechnisch voneinander zu trennen?

Oberflächen sind entweder hydrophil oder hydrophob, Zwischenzustände sind möglich. Die Benetzbarkeit ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung bei der Verteilung von Wasser und Rohöl in Gesteinen, aber auch in der Katalyseforschung.

Es sollen einfache Gemische von Flüssigkeiten unterschiedlicher Polarität (Wasser/Alkohol/Alkane/Aromaten) in porösen Gläsern oder/und in Gestein untersucht werden, wobei die Relaxationseigenschaften der Reinstoffe bekannt sind. Ziel ist eine experimentelle Bestimmung der Flüssigkeitsverteilung nahe der Oberfläche. Die Messungen erfolgen im Vergleich mit und ohne signalverstärkender Radikale an der Oberfläche.

Schwerpunkte: Experiment, Präparation, Datenauswertung

 

11. (Bachelor/Master) Multifunktionelle Hydrogele in natürlichen Böden

Wie ändert sich die Speicherfähigkeit für Wasser in Böden bei Zugabe von Hydrogelen?

Weltweit ist neben der Niederschlagsverteilung auch die Verfügbarkeit von Wasser für die Landwirtschaft von Bedeutung – in 2019/20 sind in Deutschland die Böden massiv untersättigt, Wasser kann ohne aktive Pflanzenkomponenten nicht ausreichend gehalten werden. Hydrogele können große Mengen an Wasser speichern und in Wechselwirkung mit Pflanzenwurzeln auch wieder abgeben, ihr Einsatz im großen Maßstab wird vorbereitet. Mit NMR kann sowohl die Menge als auch der Bindungszustand und die Beweglichkeit des Wassers gemessen werden, MRI kann zusätzlich zur Visualisierung der Gel-Verteilung verwendet werden (letzteres nur im Rahmen einer Masterarbeit). Kooperation mit FZ Jülich.

Schwerpunkte: Experiment, Literaturstudium, Datenauswertung

 

12. (Bachelor/Master) Signalverstärkung mit DNP an stark verdünnten Proteinlösungen

Wie sieht die Dynamik von Proteinen in Lösungen aus? Was ist die minimal nachweisbare Konzentration?

In unserem Fachgebiet haben wir eine Hardware entwickelt, die es gestattet, die Empfindlichkeit von Messungen der Moleküldynamik mittels magnetfeldabhängiger Relaxation bis zu 100fach zu erhöhen. Dieses Verfahren (DNP) wurde bislang nur an Modellsystemen getestet, die auch ohne Signalverstärkung zugänglich sind. Die Methode soll nun auf stark verdünnte Proteinlösungen angewandt werden, von denen bekannt ist, dass einzelne Bereiche der Moleküle stark verschiedene Dynamik zeigen. Solche Messungen erfolgten bislang nur sehr eingeschränkt an hochkonzentrierten Lösungen, in denen sich die Proteine jedoch gegenseitig in ihrer Beweglichkeit behindern.

Schwerpunkte: Experiment, Datenauswertung, Präparation

 

13. (Bachelor/Master) Ionic liquid (ILs) under confinement

Investigation of the influence of the silica nanoparticles on ILs dynamical behavior, distinguishing different cases, adsorption of ILs molecules on the outer surface of the nanoparticles, and/or restriction/confinement of ILs molecules in the mesoscopic spaces between nanoparticles. For this project diffusion and relaxation times will be measured using NMR techniques.

Focus: experimental, literature studies, data analysis, theory

 

14. (Bachelor/Master) Ionic liquid (ILs) as electrolytes

ILs may be used as well in concrete systems like complex non-aqueous electrolytes in different phases, as free liquid or immobilized in matrices forming gels or even in solid state, with application in batteries, capacitors/ supercapacitors. For these applications, it is common to use a mixture of ILs with a specific Li- or Na-containing salts. The aim in this project is to investigate molecular dynamics, charge transport and conductivity by measuring NMR relaxation and diffusion properties in these systems.

Focus: experimental, literature studies, data analysis

 

15. (Master) Ionic liquids (ILs) and radical dynamics

For certain nuclei (7Li, 19F, 2H, 13C) with low sensitivity or low natural abundance, dynamic nuclear polarization (DNP) is used in order to improve signal intensity. A requirement here is to dissolve a small concentration of radicals containing one or more unpaired electrons in the ILs. In this way DNP induces a transfer of high polarization of the electron spin system to the nuclear spin system. However, the presence of radicals modifies the nuclear relaxation properties of the system of interest. In this project, NMR relaxation studies will be performed combined with DNP in ILs+radical systems in order to achieve information about dynamics of the ILs molecules. Additionally, more complex studies may be performed with this technique, like enhancement of the NMR signal in specific sites of the molecules.

Focus: experimental, literature studies, data analysis, theory

 

16. (Bachelor/Master) EPR studies about Ionic liquids

In relation with the Project 15, the properties of the electron spin system in the radicals immersed in the ILs will be studied in this project by using electron spin resonance (ESR). This technique allows one to extract spectroscopic and dynamic information of the radical system and infer information as well about ILs molecules.

Focus: experiment, literature studies, data analysis