From Spins to Solutions - Expanding the Horizons of Electron Spin Resonance (ESR) Spectroscopy

Abstract

Electron spin resonance (ESR) spectroscopy combines experimental and theoretical approaches in the field of magnetic resonance. Various studies are listed in the following. Exploring the radical formation in an aluminum complex, the mechanochemical reduction of metal oxides, and the dipolar coupling of hydrogen atoms, enhances the understanding of catalytic processes and molecular interactions. Research on novel LaCoO4 and LaCoO4/graphene nanoparticles investigate their catalytic reactivity, while work on aluminumporphyrine reveals the role of Jahn-Teller distortions in triplet state kinetics, offering insights into the dynamic behavior of radical species and their implications for material design. Optimized microwave (MW) ESR resonator designs demonstrate high simulationto- experiment correlation and lead to a significantly improved resonator performance. Further research on the coupling situation in a MASER challenges existing assumptions, contributing to advancements inMWtechnologies and their applications. Another study of a membrane protein in the endoplasmic reticulumcombines experimental and computational data, offering integrative insights into protein dynamics and shedding light on broader implications for structural biology and membrane protein functionality. This thesis deepens ESR spectroscopy’s applications and theoretical foundations, paving the way for interdisciplinary progress in science and innovative applications. It advances understanding in chemistry, physics, and biology, driving innovation in molecular dynamics and magnetic resonance.

Die Elektronenspinresonanz (ESR)-Spektroskopie kombiniert experimentelle und theoretische Ansätze im Feld der Magnetresonanz. Verschiedene Studienwerden im Folgenden aufgelistet. Untersuchungen zur Radikalbildung in einem Aluminiumkomplex, der mechanochemischen Reduktion von Metalloxiden und der dipolaren Kopplung von Wasserstoffatomen, konnte das Verständnis katalytischer Prozesse und molekularer Wechselwirkungen vertiefen. Forschungen zu neuartigen LaCoO4 und LaCoO4/Graphen Nanopartikeln beleuchten deren katalytische Reaktivität, während Arbeiten zu Aluminiumporphyrin die Rolle von Jahn-Teller-Verzerrungen in der Kinetik von Triplett-Zuständen aufzeigen. Diese bieten Einblicke in das dynamische Verhalten von Radikalspezies. Optimierte Mikrowellen-ESR-Resonatoren zeigen eine hohe Korrelation zwischen Simulationen und Experimenten und die Resonatorperformance konnte erheblich verbessert werden. Weiterführende Untersuchungen zur MASER-Kopplung hinterfragen bestehende Annahmen und tragen zu Fortschritten in der Mikrowellentechnologie und deren Anwendungen bei. Eine weitere Studie zu einem Membranprotein im endoplasmatischen Retikulum kombiniert experimentelle und computergestützte Daten und liefert integrative Einblicke in die Proteindynamik. Sie beleuchtet zudem breitere Implikationen für die strukturelle Biologie und die Funktionalität von Membranproteinen. Diese Dissertation vertieft die Anwendungen und theoretischen Grundlagen der ESR-Spektroskopie und ebnet den Weg für interdisziplinäre Fortschritte in den Wissenschaften der Chemie, Physik und Biologie und innovativen Anwendungen.