Themen für Bachelor- und Masterarbeiten

Hinweis: Stand Januar 2025 – Themen können sich kurzfristig ändern. Alle Themen sind prinzipiell als Masterarbeit 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

  • 1. Relaxation und Diffusion von Flüssigkeiten in mesoporösem Silica
    (Bachelor)

    Wie verändert sich die Moleküldynamik innerhalb regulärer Poren von wenigen nm Durchmesser? Hängt die Diffusion von der Molekülgröße oder der Polarität ab?

    Die NMR-Relaxation von adsorbierten Flüssigkeiten in mesoporösem Glas (d.h. Porengrößen unterhalb 50 nm) hängt stark von der Polarität der Moleküle und der Art der Wechselwirkung mit der Oberfläche ab. Bisherige Studien befassten sich mit Materialien in der ungeordneten Porenstruktur von Gläsern. Diese Arbeit behandelt künstlich hergestellte, zylindrische Silica-Strukturen (SBA-15) mit hexagonalem Querschnitt von 4 bis 12 nm Durchmesser und zielt auf die Messung von T1- und T2- Relaxationszeiten polarer und unpolarer Adsorbate sowie die Bestimmung deren Diffusionskoeffizienten mit einem Desktop-NMR-Spektrometer. Sie werden ggf. ergänzt durch 2H-Experimente in einem Feld von 7 T.

    Schwerpunkt: Präparation, Experiment
  • 2. Phasenseparation und Diffusion in porösem Glas
    (Bachelor)

    Kommt es zu einer vollständigen Entmischung zweier Flüssigkeiten in porösem Glas? Wie groß ist die Diffusivität bei sehr dünnen Schichten?

    Im Zuge der Studien von Flüssigkeitsmischungen in porösen Medien wurden einige Stoffkombinationen gefunden, die sich entmischen und eine der beiden Fluide an der Oberfläche konzentrieren. Dadurch ergeben sich mathematisch Schichtdicken unter einer Monolayer, was natürlich unphysikalisch ist. In dieser Arbeit soll systematisch untersucht werden, welches die kleinsten Flüssigkeitsmengen sind, die noch makroskopische Diffusion in einem verbundenen Perkolationscluster erlauben, bzw. wann isolierte Tröpfchen entstehen. Hierfür wird z.B. Aceton in deuteriertem Cyclohexan, oder Wasser in deuteriertem Aceton untersucht. Um Diffusionskoeffizienten von kleinsten Stoffmengen (1…10 Vol-%) zu messen, wird die Hardware am 7T-Spektrometer verwendet.

    Schwerpunkt: Präparation, Experiment, evtl. Simulation
  • 3. Gefrierverhalten von Flüssigkeitsmischungen
    (Bachelor)

    Zeigt eine Mischung zweier Flüssigkeiten einen oder zwei Schmelzpunkte? Wie verändert sich das in porösen Medien?

    Üblicherweise gefriert eine Flüssigkeitsmischung bei einer Temperatur, die zwischen den Gefrierpunkten der beiden Komponenten liegt. Nur beim Auftreten von Mischungslücken beobachtet man zwei Gefrierpunkte.

    Flüssigkeiten in einem porösen Medium mit Porenradius r unterliegen der Gibbs-Thomson-Gleichung, d.h. ihr Schmelz- und Gefrierpunkt sinkt proportional zu 1/r. In sehr kleinen Poren gefrieren einige Flüssigkeiten überhaupt nicht mehr. Was geschieht nun bei Gemischen, von denen bekannt ist, dass sie sich in Poren entmischen, z.B. Aceton und Cyclohexan? Der Nachweis von zwei Gefrier- und Schmelzpunkten wäre ein starkes Indiz für eine physische Entmischung, die sonst nur indirekt gefolgert werden kann. Hier sollen, zunächst mit Kalorimetrie (DSC) verschiedene Fluide in porösen Gläsern von 4-50 nm untersucht werden, bei erfolgreichem Nachweis von Phasenübergängen werden die verbleibenden flüssigen Komponenten mittels NMR weiter analysiert.

    Schwerpunkt: Präparation, Experiment
  • 4. Selektive Messung von Wasser und Öl mit Radikalen
    (Bachelor/Master)

    Wie verteilen sich Wasser und Öl in Gestein und Böden? Wie kann man dies anhand ihrer Dynamik erkennen?

    Der Nachweis von Wasser und Öl in Lockersedimenten stellt ein wichtiges Problem in der Umweltanalytik dar, während ihre Eigenschaft in Gesteinen für die Erdölgewinnung wichtig ist. Daneben ist von fundamentalem Interesse, wie sich diese Fluide in künstlichen mesoporösen Materialien verteilen, z.B. in Gläsern und Katalysatoren. Alkane und Zykloalkane oder Aromate stellen hier, als Hauptkomponenten von Erdöl, geeignete Ersatzmoleküle dar.

    Wasser und Öl wechselwirken verschieden stark mit Grenzflächen, je nachdem ob diese eher hydrophil oder hydrophob sind. Dennoch sind sie oft mit NMR oder mit traditionellen Methoden nicht auseinanderzuhalten. Die Zugabe von Radikalen, die entweder nur in Wasser (4-hydroxy-TEMPO) oder nur in Öl bzw. Alkanen (4-hydroxy.TEMPO-Benzoat) löslich sind, erlaubt eine indirekte Separation: einerseits reduzieren die Radikale die Relaxationszeiten in der jeweiligen Flüssigkeit, andererseits wird nur in diesem Fluid das Signal durch DNP (Mikrowellenbestrahlung) deutlich verstärkt. Eine kombinierte NMR-Relaxations- und DNP-Studie soll Aufschlüsse über die Verteilung von Wasser/Öl-Suspensionen in verschiedenen porösen Medien vom Glas bis zum realen Boden liefern.

    Schwerpunkt: Präparation, Experiment
  • 5. Deuterierte Polymermischungen in Confinement
    (Bachelor/Master)

    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 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.

    Schwerpunkt: Probenpräparation, Experiment
  • 6. Konzepte zur Detektion von fließendem Wasser auf dem Mars
    (Bachelor/Master)

    Wie muss ein Sensor ausgelegt werden, um unter realistischen Bedingungen (T, pH, Fe, Salz) Wasser auf dem Mars zu messen?

    Mehrere Bachelorarbeiten haben bereits das Verhalten von Wasser bei hohen Salzkonzentrationen, hohem Eisenoxidanteil, und tiefen Temperaturen an Mars-Simulationsböden behandelt. Diffusion wurde erfolgreich gemessen, hier stellt NMR die einzige Option dar, um in situ nicht nur die Menge, sondern auch die Beweglichkeit von Wasser zu bestimmen. Für die Erstellung von Publikationen fehlt noch die zeitabhängige Analyse der Diffusion bei kleinen Wassergehalten sowie die Untersuchung von Bodentypen nach neueren Erkenntnissen über die Südpolarkappe des Mars, d.h. die Anwesenheit von wasserbindendem Ton.

    Schwerpunkte: Präparation, Experiment
  • 7. NMR-Multipulsverfahren für Polymere und geordnete Systeme
    (Master)

    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
  • 8. Rheologie an Polymerschmelzen im Magnetfeld
    (Master)

    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).

    Schwerpunkt: Probenpräparation, Messung; Dokumentation und Optimierung der Messparameter; Datenanalyse und Literatur
  • 9. Konstruktion einer DNP-Messeinheit mit Feldmodulationsspulen
    (Master)

    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.

    Schwerpunkt: Design, Konstruktion – Elektronikkenntnisse