Haakon Wiedemann

► Domaines de recherche

Optimisation des résonateurs micro-ondes

Les résonateurs micro-ondes sont utilisés dans la spectroscopie de résonance de spin électronique (RSE) pour concentrer le champ magnétique B1 des micro-ondes à l'endroit de l'échantillon et pour séparer le champ électrique des micro-ondes. Cela sert à ce que l'échantillon ne puisse interagir qu'avec la composante magnétique des micro-ondes et à ce que l'échantillon lui-même ne soit pas chauffé par les puissances micro-ondes trop élevées. Dans la spectroscopie RSE, il existe différentes méthodes de mesure (par ex. RMN, RSE transitoire, ESR pulsé) qui posent toutes différentes exigences aux résonateurs micro-ondes, par ex. des facteurs de qualité élevés, de grands facteurs de conversion micro-ondes ou des champs B1 homogènes. Les spectromètres disponibles dans le commerce offrent déjà de bons résonateurs micro-ondes pour un large éventail d'applications. Cependant, ces spectromètres atteignent déjà les limites de leur sensibilité grâce aux nouveaux développements de la recherche. L'optimisation des résonateurs micro-ondes offre donc une voie directe vers une amélioration de la sensibilité.

Dans le cadre de la thèse, trois voies d'optimisation des résonateurs micro-ondes ont été étudiées. L'objectif est d'améliorer et d'optimiser les résonateurs déjà disponibles sans avoir à concevoir un tout nouveau résonateur. Les résonateurs développés ont été étudiés à l'aide de la spectroscopie RMN, transitoire et pulsée RSE.

Spin-traps

Les espèces réactives de l'oxygène (en anglais reactive oxygen species, ROS) désignent une grande classe de substances composée de molécules très réactives contenant de l'oxygène. Ces molécules possèdent différentes fonctions et propriétés, allant de fonctions biologiques par le biais du métabolisme de l'oxygène à des rôles de support importants dans les cycles de catalyse. La détection de ces ROS s'avère difficile en raison de leur faible durée de vie, mais le spin-trapping offre une solution. Lors du spin-trapping, le radical ROS à courte durée de vie et un spin-trap (généralement un composé nitroxyle) forment un radical relativement stable qui peut être détecté. C'est pourquoi le spin-trapping s'est établi comme une méthode valide de détection des ROS.

Dans le cadre de ce sous-projet, la voie de réaction radicalaire des nanoparticules La2CoO4+δ est étudiée en tant que catalyseur efficace pour l'activation du peroxymonosulfate (PMS). Il est important de noter que dans le système La2CoO4+δ avec PMS, différents radicaux jouent un rôle dans le processus de décomposition du PMS. Il est donc possible de distinguer différents ROS en sélectionnant les spin-traps appropriés et les spectres RSE qui en résultent. Nous avons développé un protocole de capture de radicaux qui pourrait aider à identifier les ROS les plus importantes dans le processus de décomposition de la PMS pour d'autres catalyseurs hétérogènes. Cela pourrait être utile pour le développement ciblé de nanoparticules pour différentes ROS.

Publications: 

• Hammad, M., Alkan, B., Al-kamal, A.K., Kim, C., Ali, M.Y., Angel, S., Wiedemann, H.T.A., Klippert, D., Schmidt, T.C., Kay, C.W. and Wiggers, H., 2022, Chemical Engineering Journal, 429, p.131447.
• Hammad, M., Angel, S., Al-kamal, A.K., Asghar, A., Amin, A.S., Kräenbring, M.A., Wiedemann, H.T.A., Vinayakumar, V., Ali, M.Y., Fortugno, P. and Kim, C., 2022, Chemical Engineering Journal, p.139900.

Spectroscopie DEER

La spectroscopie DEER (angl. : double electron electron resonance) ou PELDOR (angl. : pulsed electron electron double resonance) s'occupe de l'observation de l'interaction de deux spins à proximité immédiate l'un de l'autre (1.8 - 10 nm). Pour cela, deux étiquettes de spin (fonctionnalité nitroxyde) sont généralement introduites dans la molécule ou la protéine à étudier. L'examen spectroscopique est ensuite effectué à basse température (80 - 100 K, temps de relaxation plus long) à l'aide d'un rayonnement de deux fréquences micro-ondes différentes. La fonction de désintégration exponentielle obtenue est transformée en une distribution de probabilité de la distance de l'interaction spin-spin, soit par une régularisation de Thikonov, soit par d'autres méthodes d'analyse. Il est ainsi possible d'observer des positions très individuelles, ce qui permet de tirer des conclusions sur la structure d'une molécule/protéine. Il est par exemple possible d'observer le mouvement d'une protéine lorsqu'un inhibiteur est incorporé dans le centre actif. Cela permet d'obtenir des informations sur le mécanisme de ce mouvement, ce qui donne un aperçu supplémentaire de la manière dont la catalyse enzymatique se déroule dans la protéine sélectionnée.

► Aktuelle Publikationen

C.W. Zollitsch, S. Ruloff, S., Y. Fett, H.T.A. Wiedemann, R. Richter, J.D. Breeze, C.W.M. Kay, Maser threshold characterization by resonator Q-factor tuning, Communication Physics, 2023, 6, 295.

H.T.A. Wiedemann, S. Ruloff, R. Richter, C.W. Zollitsch, and C.W.M. Kay, Towards high performance dielectric microwave resonators for X-band EPR spectroscopy, Journal of Magnetic Resonance, 2023, p.107519.

A. Carella, S. Ciuti, H.T.A. Wiedemann, C.W.M. Kay, A. van der Est, D. Carbonera, A. Barbon, P.K. Poddutoori, and M.D. Valentin, The electronic structure and dynamics of the excited triplet state of octaethylaluminum (III)-porphyrin investigated with advanced EPR methods, Journal of Magnetic Resonance, 2023, p.107515.

A. Michaely, O. Janka, E.C.J. Gießelmann, R. Haberkorn, H.T.A. Wiedemann, C.W.M. Kay and G. Kickelbick, Black Titania and Niobia within Ten Minutes–Mechanochemical Reduction of Metal Oxides with Alkali Metal Hydrides, Chemistry–A European Journal, 2023, e202300223.

D. Mandal, T.I. Demirer, T. Sergeieva, B. Morgenstern, H.T.A. Wiedemann, C.W.M. Kay and D.M. Andrada, Evidence of Al(II) Radical Addition to Benzene, Angewandte Chemie, 2023, e202217184.

M. Hammad, S. Angel, A.K. Al-Kamal, A. Asghar, A.S. Amin, M. Kräenbring, H.T.A. Wiedemann and C.W.M. Kay, Synthesis of novel LaCoO3/graphene catalysts as highly efficient peroxymonosulfate activator for the degradation of organic pollutants, Chemical Engineering Journal, 454, 2023, 139900.

M. Hammad, B. Alkan, A.K. Al-kamal, C. Kim, M.Y. Ali, S. Angel, H.T.A. Wiedemann and C.W.M. Kay, Enhanced heterogeneous activation of peroxymonosulfate by Ruddlesden-Popper-type La2CoO4+ δ nanoparticles for bisphenol A degradation, Chemical Engineering Journal, 429, 2022, 131447.