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Diffractomètre à rayons X pour les études de cristallographie sous contrainte, équipé du détecteur XPAD.

Diffractomètre à rayons X pour les études de cristallographie sous contrainte, équipé du détecteur XPAD.

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CRISP – Kristallographie und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen

Die Arbeitsgruppe CRISP beschäftigt sich mit Methoden- und Instrumentenentwicklung der Kristallographie sowie deren Anwendung zum Studium verschiedenster Materialien : von Mineralien über organometallische Komplexe bis hin zu rein organischen Verbindungen.
Insbesondere entwickeln wir fortschrittliche Methoden, die zur Untersuchung von komplexen Strukturen (Zwillinge, Polytypen, ungeordnete Strukturen), Nanostrukturen (Nanokristallographie) sowie zur präzisen Bestimmung und Analyse der Elektronendichte in Festkörpern (Topologie der Elektronendichte und des elektrostatischen Potentials, gemeinseame Verfeinerung von Röntgen- und Neutronendaten) beitragen.
Wir entwickeln Instrumente zur kristallographischen Untersuchung von Materialien unter Einfluss externer Stimuli (Licht, elektrisches Feld) sowie zur zeitaufgelösten Strukturbestimmung (Pixel Detektor XPAD). Diese methodischen Entwicklungen finden Anwendung im Studium von Molekularmagneten, photoschaltbaren Komplexen, Mineralien, und Molekülen von biologischen oder pharmazeutischen Interesse.

Elektronendichteverteilung

  • Crystal engineering

Das detaillierte Studium der Elektronendichteverteilung ρ(r) eines molekularen oder kristallinen Systems erlaubt es, die Wechselwirkung zwischen Molekülen undAtomen innerhalb des Systems zu verstehen. In diesem Zusammenhang stellen die topologische Analyse der Funktionen ρ(r) und ∇2ρ(r), sowie des elektrostatischen Potentials φ(r), das ausgehend von der Verteilung der Elektronendichte und Atomekerne berechnet wird, wichtige Werkzeuge dar. Unser Projekt strebt eine kontrollierte Ausnutzung der intermolekularen Wechselwirkungen (schwache Wasserstoffbrücken, Halogen- und Chalcogenbindungen) im Hinblick auf “Crystal engineering” an.

Die genannten Wechselwirkungen weisen zwei wichtige Eigenschaften auf: ihre Energien sind schwach (oder sehr schwach) und sind sie sehr richtungsabhängig. Dies erlaubt es einerseits die Moleküle leicht zu assoziieren oder dissoziieren und andererseits ihre geometrische Anordnung mit guter Genauigkeit vorherzusagen. Damit hat man die Grundbausteine zur Verfügung, um Moleküle gezielt in einer kristallinen Strukture anzuordnen, was zum Beispiel für Kokristalle mit pharmazeutischen Anwendungen von Interesse ist.

  • Organometallische Komplexverbindungen

Da Ziel dieser Forschungthematik ist das Design und Studium von multifunktionellen Materialen die beispielsweise die magnetischen oder dielektrischen Eigenschaften des Metalls mit den optischen Eigenschaften des Liganden verbinden. Die Strategie besteht darin eine dreidimensionale Struktur aus organischen verbrückenden Liganden und Elektrondonoren (Metall-Alkali-Salze oder Übergangsmetallverbindungen) herzustellen. Als Liganden werden vorzugsweise Triazole oder Tetrazole eingesetzt.

Nano- und Photokristallographie

In der Nano- und Photokristallographie beschäftigen wir uns mit der Herstellung und Charakterisierung von molekularen Nanomaterialien und Hybridmaterialien, die bemerkenswerte strukturelle, magnetische und optische Eigenschaften aufweisen, die man über eine optische Anregung manipulieren kann (Photoschaltung). Zentral ist dabie die Bestimmung der Struktur-Eigenschaftsbeziehung als Funktion der Teilchengrösse (vom Einzelmolekul bis hin zum bulk Kristall). Das detaillierte strukturelle Verständnis der Architektur von Nanomaterialien ist eine herausfordernde Aufgabe, die entsprechend geeignete Herstellungs- und Analysemethoden bedingt. Wir nähern uns dieser Aufgabe in drei Schritten: (i) Herstellung von funtionalen photoschaltbaren (Nano)materialien, (ii) Aufbau und Betrieb eines instrumentellen Messplatzes zur Nano- und Photokristallographie sowie Entwicklung entsprechender Analysemethoden, sowie (iii) das Studium der Struktur-Eigenschaftsbeziehung der hergestellten Materialien

Mathematische Kristallographie und ihre Anwendungen

Die mathematische Kristallographie beschäftigt sich mit der Erforschung der Struktur-Eigenschaftsbeziehung unter Ausnutzung der Symetrieeigenschaften der Materie. Da kristalline Materialien durch eine periodische und geordnete Anordung von Atomen gekennzeichnet ist, kann man ihre Struktur durch eine Symmetriegruppe beschreiben, falls die Symmetrie die Ganzheit des Raumes erfasst, oder durch ein allgemeinere Kategorie (Groupoid) falls sie nur einen Unterraum betrifft. Für heterogene Objekte, wie beispielsweise Zwillinge, ist eine andere Verallgemeinerung notwendig : die polychromatische Symetrie. Weiteführende Details können auf den folgenden Seiten gefunden werden :

Molekulare Magnete und Methodenentwicklung

Molekularmagnete sind vielversprechendes Substanzen zur magnetischen Informationsspeicherung höchster Dichte auf molekularer Ebene (≈ 10-9 m). Bevor jedoch solche Anwendungen realisiert werden können, müssen die Eigenschaften und Prozesse auf dieser Längenskala verstanden werden. Da es sich hierbei um Prozesse mit magnetischen und elektronischen Eigenschaften sowohl auf sehr lokaler (Molekül) als auch auf einer längerreichweitigen Skala handelt, untersuchen wir diese mittels mehrerer experimenteller Methoden (Röntgenbeugung, polarisierte Neutronenbeugung, Comptonstreuung), die wir in einem gemeinsamen Modell zur Beschreibung zusammenführen. Dazu entwickeln wir auch die entsprechende Analysesoftware. Ein erster wichtiger Schritt war die Realisierung eines Modells basierend auf Daten aus Röntgenbeugung und polarisierter Neutronenbeugung (Programm MOLLY-NX)1,2 wie in der Figur für das Beispiel eins Mangan-Kupfer-Komplexes dargestellt.

Die zweite Etappe besteht nun in der Integration der Compton-Streuung in das Programm. Mittelfristig sollen diese Verfeinerungsalgorithmen in das Programm MOPRO (Team BIOMOD) integriert werden, um eine multifuntionelle Software-Suite für interessierte Nutzer anbieten zu können. Das Projekt ist Teil einer internationalen Kollaboration: Dr. Béatrice Gillon (Laboratoire Léon Brillouin, Saclay), Prof. Jean Michel Gillet (SPMS, Ecole Centrale, Paris), Dr. Yoshikaru Sakurai, Spring8, Japon.

1 M. Deutsch, N. Claiser, M. Souhassou, B. Gillon, Physics Procedia volume 42 (2013), pages 10–17
2 M. Deutsch, N. Claiser, S.Pillet, Y. Chumakov, P. Becker, J-M. Gillet, B. Gillon, C. Lecomte, M. Souhassou, Acta Cryst. A68 (2012), pages 1-12