"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8198
ETF8198 "Kõrge tundlikkusega maagilise pöörlemisega tahke keha TMR tehnika arendamine. (1.01.2010−31.12.2013)", Ivo Heinmaa, Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituut.
ETF8198
Kõrge tundlikkusega maagilise pöörlemisega tahke keha TMR tehnika arendamine.
Sensitivity enhancement of the solid state MAS-NMR technique.
1.01.2010
31.12.2013
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP260 Tahke aine: elektrooniline struktuur, elektrilised, magneetilised ja optilised omadused, ülijuhtivus, magnetresonants, spektroskoopia1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)100,0
AsutusRollPeriood
Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituutkoordinaator01.01.2010−31.12.2013
PerioodSumma
01.01.2010−31.12.2010187 200,00 EEK (11 964,26 EUR)
01.01.2011−31.12.201111 964,00 EUR
01.01.2012−31.12.201211 964,00 EUR
01.01.2013−31.12.201311 964,00 EUR
47 856,26 EUR
81806,91

Ülijuhtmagnetite tehnoloogia areng on toonud teadlaste käsutusse tugevad stabiilsed ja homogeensed magnetväljad tuumamgnetresonantsi (TMR) eksperimentide teostamiseks. Tugevate magnetväljade kasutamise peamisteks eelisteks kaasaegsete TMR spektromeetrite koosseisus on suurem tundlikkus ja parem lahutusvõime. See on teinud võimalikuks mitmed tahke keha TMR kõrge lahutuse rakendused, mis madalamates magnetväljades ei olnud praktiliselt teostatavad. Nii on tahke keha TMR meetoditega määratud esimesed valkude, sh Alzheimeri tõvega seotud proteiini fibrillide, struktuurid, sünteetiliste tsellulooside ja tseoliitide struktuurid. Kõrge lahutuse saamiseks kasutatav maagilise pöörlemise (MAS) tehnika rakendamine kõrgetes magnetväljades eeldab proovi väga kiiret pöörlemist, mis on võimalik kasutades väikesemõõdulisi rootoreid ja isotooprikastatud uuritavaid aineid. Naturaalse isotoopsisaldusega ainete TMR spektrid saadakse enamasti madalamates magnetväljades, kasutades suuremaid rootoreid ja ainekoguseid, mis lõppkokkuvõttes annavad parema signaal/müra suhte. Paraku, olemasolevate MAS-TMR mõõtepeade tundlikkus enamasti ei võimalda naturaalse isotoopsisaldusega tahkete orgaaniliste polümeeride, tsellulooside, polüsahhariidide jt materjalide struktuuri määramist homonukleaarsete ja heteronukleaarsete TMR korrelatsioonispektrite abil. Käesoleva projekti eesmärgiks on i) töötada välja tahke keha MAS-TMR kõrge tundlikkusega eksperimenditehnika, mille abil saaks teostada TMR struktuuriuuringuid loodusliku isotoopsisaldusega orgaanilistes ainetes ja räniühendites; ii) kasutades kõrge tundlikkusega tehnikat, uurida loodud tehnika abil mitmesuguste looduslike polümeeride ja räniühendite lokaalse struktuuri iseärasusi.
Tremendous increase in sensitivity of modern NMR spectrometers attached to high high external magnetic fields and high-sensitive cryo-probes allow structure determination of large large molecules in solution. Progress in high field magnet technology has initiated development in high resolution solid state NMR as well. A general method to obtain highly resolved resonances from solid polycrystalline compound is to rotate the sample about an axis which is oriented at the “magic angle”, 54.75, degree with respect to the magnetic field. This magic angle spinning (MAS) is done by rotating a small ceramic sample holder (rotor) on gas bearings by a miniature gas turbine. Recent achievements of the MAS technique are remarkable. For example, the first complete protein structure have been obtained by MAS NMR methods. MAS technique has been used for determination of the bonding network of celluloses and zeolites. The detailed structural information on a complex solid is named as NMR crystallography. Despite of the great success, high resolution solid state NMR is limited by poor sensitivity which cuts off many applications. Poor sensitivity is a common issue of every NMR experiment, especially in cases of NMR of low natural abundance nuclei, such as carbon 13C (isotope content 1%), silicon 29Si (7%), nitrogen 15N (0.37%) or oxygen 17O (0.037%), the main building elements of organic and ceramic materials. In organics, the small number of magnetic nuclei is usually still enough to record a carbon 13C MAS-NMR spectrum from a sample of ~100 mg natural organic compound. Unfortunately, this is far too weak signal to run experiments of correlation spectroscopy to determine the bonding network and/or through space distances between two nuclei. Thus, many important natural organic substances, such as natural polymers, wood, polysaccharide carbohydrates, soil organics or various ceramic materials, zeolites, porous materials cannot be studied by modern tools of NMR crystallography because the signal to noise ratio of available MAS probes is too low. Within current project we plan i) to construct a double resonance MAS-NMR probe 1H/X (X=13C, 29Si, …) for 18.8T (1H resonance frequency 800MHz) field. The main target of the probe is possibly high sensitivity of the X-nucleus which allows structural studies of organic and ceramic compounds of natural isotope content and ii) to use this technique in structural studies of various natural substances.

Vastutav täitja (1)

IsikKraadTöökoht ja ametCVOsalemise periood
Ivo HeinmaadoktorikraadKeemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituut, Vanemteadur (1,00)EST / ENG01.01.2010−31.12.2012

Põhitäitjad (7)

IsikKraadTöökoht ja ametCVOsalemise periood
Enno JoondoktorikraadVanemteadurEST / ENG01.01.2010−31.12.2013
Alan KaldamagistrikraadEST / ENG01.07.2012−31.12.2013
Radu PrekupmagistrikraadtehniklEST / ENG01.09.2011−31.12.2013
Reio PõderdoktorikraadinsenerEST / ENG01.01.2010−31.12.2013
Andres Reinholdmagistrikraadvaneminsener-konstruktorEST / ENG01.01.2010−31.12.2013
Priit SarvdoktorikraadVanemteadurEST / ENG01.01.2010−31.12.2013
Tiit Tuhermmagistrikraadvaneminsener- peenmehaanikEST / ENG01.01.2010−31.12.2013
Publikatsioonid
Publikatsioonid
Tarkanovskaja, Marta; Välbe, Raul; Põhako-Esko, Kaija; Mäeorg, Uno; Reedo, Valter; Hoop, Andres; Saal, Kristjan; Krumme, Andres; Kink, Ilmar; Heinmaa, Ivo; Lõhmus, Ants (2014). Novel homogeneous gel fibers and capillaries from blend of titanium tetrabutoxide and siloxane functionalized ionic liquid. Ceramics International, 40 (6), 7729−7735.10.1016/j.ceramint.2013.12.114.
Mamone, Salvatore; Concistre, Maria; Heinmaa, Ivo; Carraveta, Marina; Kuprov, Ilja; Wall, Gary; Denning, Mark; Lei, Xuegong; Chen, Judy Y-C; Li, Yongyun; Murata, Yasujiro; Turro, Nicholas J; Levitt, Malcolm H. (2013). Nuclear Magnetic Resonance of Hydrogen Molecules Trapped inside C70 Fullerene Cages. A European Journal of Chemical Physics and Physical Chemistry, 14 (13), 3121−3130.
Subbi, Juhan; Heinmaa, Ivo; Põder, Reio; Kooskora, Helgi (2013). Solid state NMR spin-lattice relaxation investigation of oxygen dynamics in scandium doped ceria from 60 to 1073 K. Solid State Ionics, 239, 15−20.
Stern, Raivo; Heinmaa, Ivo; Joon, Enno; Tsirlin, Alexander; Nakamura, Hiroyuki; Kimura, Tsuyoshi (2014). Low-temperature high-resolution solid-state (cryoMAS) NMR of Han Purple BaCuSi2O6. APPLIED MAGNETIC RESONANCE, 45 (11), 1253−1260.10.1007/s00723-014-0597-4.
Mihhalevski, Anna; Heinmaa, Ivo; Traksmaa, Rainer; Pehk, Tõnis; Mere, Arvo; Paalme, Toomas (2012). Structural changes of starch during baking and staling of rye bread. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 60 (34), 8492−8500.10.1021/jf3021877.
Beckett, P.; Denning, M.S.; Carrevetta, M.; Kalda, A.; Heinmaa, I. (2012). Field dependence of the relaxation of 79Br In KBr and its use as a temperature calibrant. Journal of Magnetic Resonance, 223, 61−63.
Beckett, P.; Denning, M.S.; Heinmaa, I.; Dimri, M.C.; Young, E.A.; Stern, R.; Carravetta, M. (2012). High resolution (11)B NMR of magnesium diboride using cryogenic magic angle spinning. The journal of chemical physics, 137 (11), 114201.
Nielsen, Ulla Gro; Heinmaa, Ivo; Samoson, Ago; Majzlan, Juraj; Grey, Clare P. (2011). Insight into Local Magnetic Environments and Deuteron Mobility in Jarosite (AFe3(SO4)2(0D)6, A=K, Na, D3O), from Variable-Temperature 2H MAS NMR Spectroscopy. Chemistry of Materials, 23 (13), 3176−3187.10.1021/cm2003929.
Davis, L.J.M.; Heinmaa, I; Goward, G. R. (2010). Study of Lithium Dynamics in Monoclinic Li3Fe2(PO4)3 using 6Li VT and 2D Exchange MAS NMR Spectroscopy. Chemistry of Materials, 22, 769−775.
Heinmaa, Ivo; Joon, Tanel; Kooskora, Helgi; Pahapill, Jüri; Subbi, Juhan (2010). Local structure and oxygen dynamics in La doped ceria: 17O NMR study. Solid State Ionics, 181, 1309−1315.10.1016/j.ssi.2010.07.027.
Subbi, Juhan; Heinmaa, Ivo; Põder, Reio; Kooskora, Helgi (2012). Solid state NMR investigation of oxygen dynamics in scandium doped ceria in 50 K to 1073 K temperature range. Solid State Ionics, 225, 488−492.10.1016/j.ssi.2012.02.03.
Reinik, Janek; Heinmaa, Ivo; Kirso, Uuve; Kallaste, Toivo; Ritamäki, Johannes; Boström, Dan; Pongracz, Eva; Huutanen, Mika; Larsson, William; Keiski, Riitta; Kordas, Kristian; Mikkola, Jyri-Pekka (2011). Alkaline modified oil shale fly ash: Optimal synthesis conditions and preliminary tests on CO2 adsorption. Journal of Hazardous Materials, 196, 180−186.10.1016/j.jhazmat.2011.09.006.
Potocnik, Anton; Ganin, Alexey Y.; Takabayashi, Yasuhiro.; McDonald, Martin T.; Heinmaa, Ivo; Jeglic, Peter; Stern, Raivo; Rosseinsky, Matthew J.; Prassides, Kosmas; Arcon, Denis. (2014). Jahn-Teller orbital glass state in the expanded fcc Cs3C60 fulleride. Chemical Science, xxx−xxy.DOI:10.1039/C4SC00670D [ilmumas].
Juhendamised
Juhendamised
Alan Kalda, magistrikraad, 2013, (juh) Ivo Heinmaa, Kvant-magneetikute Cu2CdB2O6 ja Na3Cu2SbO6 lokaalse struktuuri uuringud kõrge lahutusega TMR abil, Tallinna Tehnikaülikool, Matemaatika-loodusteaduskond, Füüsikainstituut, Rakendusfüüsika õppetool.
Mihkel Veske, magistrikraad, 2013, (juh) Ivo Heinmaa; Jaak Kikas, Spin-Peierls ühendi TiPO4 magnetilise struktuuri uuringud tuumamagnetresonantsi meetoditega, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut.
Radu Prekup, magistrikraad, 2012, (juh) Ivo Heinmaa; Rein-Karl Loide, Carbon through-bond connectivity of natural solid organic materials using NMR spectroscopy (Süsiniksidemete määramine loodusliku isotoopsisaldusega tahketes orgaanilistes materjalides kasutades TMR spektroskoopiat), Tallinna Tehnikaülikool, Matemaatika-loodusteaduskond, Füüsikainstituut.