Spectroscopy 2

De cursus Spectroscopie van Moleculen en Materialen beoogt verdieping te geven in een aantal relevante spectroscopische technieken. Daarnaast wordt basiskennis op het gebied van symmetrie en groepentheorie bijgebracht. Tenslotte sluit het college aan bij de praktijk en wordt inzicht gegeven in
de werking van spectroscopische apparatuur en het interpreteren van spectra.

Specifiek kunnen de volgende doelen benoemd worden:
1. Symmetrie en groepentheorie. Studenten leren symmetrie-elementen te herkennen en moleculen en objecten in te delen bij puntgroepen.
2. Eigenschappen van groepen, representaties en karaktertabellen kunnen worden toegepast om selectieregels, molecular orbital vorming en splitsing van toestanden te begrijpen.
3. Energieniveaus van gedeeltelijk gevulde schillen (pn, dn, fn). Vanuit microstates worden termsymbolen bepaald.
4. Inzicht in Tanabe-Sugano diagrammen en toepassing hiervan voor het verklaren van optische eigenschappen van 3dn overgangsmetalen
5. Spectroscopie van lanthanide ionen. Begrip van 4fn energieniveauschema (Dieke diagram) en specifieke optische eigenschappen lanthaniden.
6. Begrip van toepassingen optische eigenschappen van 3d en 4f overgangsmetalen (kleur, lichtbronnen, luminescerende (nano)materialen).
7. Spin resonantie spectroscopie. Studenten leren de principes van magnetische en hoek- momenten, en de kwantificering van niveaus, inclusief de bijhorende selectieregels, interactie tussen kernen en ongepaarde elektronen, en relaxatietijden.
8. Verschillen en overeenkomsten tussen kern spin resonantie en elektron spin resonantie spectroscopie worden bepaald, en vertaald in concepten van spin Hamiltoniaan en symmetrie van moleculen en 3dn overgangsmetalen met aandacht voor (super) hyperfijn splitsing.
9. Introductie in het gebruik van operando EPR/ESR, EPR/ESR metingen tijdens een reactie.
10. Het gebruik van spin vallen om radicalen te stabiliseren en zo reactie paden en mechanismen te bestuderen.
11. Inzichten in de diatomische triller worden vertaald in principes om poly-atomische moleculen met behulp van vibratiespectroscopie te onderzoeken, inclusief het begrip van skeletvibratie en groepsvibraties en het concept van selectieregels, overtonen en combinatiebanden.
12. Verschillen tussen Raman en infraroodspectroscopie, inclusief selectieregels en complementariteit, alsook manieren om de gevoeligheid van Raman spectroscopie te verhogen. Aandacht voor de invloed van rotationele op vibrationele spectroscopie.
13. Begrip van combinatie van atoomkracht microscopie (AFM) of rasterelektronen microscopie (SEM) met vibratiespectroscopie leidend tot te technieken van AFM-IR, SEM-Raman en Tip- enhanced Raman spectroscopie (TERS), waarbij de resolutie van vibratiespectroscopie wordt gebracht (of gecorreleerd) in het nanometer gebied om materialen te bestuderen.
14. Inzicht de werking van spectroscopische apparatuur zoals Infrarood, Raman, UV/VIS spectrometers, NMR, EPR, Luminescentie en Lasers voor het opnemen, interpreteren en analyseren van spectra van anorganische materialen (katalysatoren en fosforen).
15. Constructie van simpele spectrometer voor het opdoen van ervaring met de componenten in een monochromator (‘hardware’) en interfacing met software voor het uitlezen van spectra.

De cursus start met een fundamentele beschrijving van symmetrie en groepentheorie voor een beter begrip van diverse spectroscopische technieken. Vervolgens worden magnetische resonantie technieken (EPR), vibratiespectroscopie (IR en Raman) en optische spectroscopie (UV-Vis en luminescentie) van 3d en 4f elementen behandeld. Hierbij worden theoretische concepten als hyperfijnsplitsing, selectieregels, microstates, termsymbolen, Tanabe-Sugano diagrammen en kristalveldsplitsing van energieniveaus diepgaand afgeleid. Toepassingen van spectroscopische technieken in o.m. katalyse en verlichting illustreren hoe de verworven kennis wordt toegepast in de maatschappij en voor het oplossen van industriële problemen. Daarnaast wordt in een rondleiding (in groepen) inzicht gegeven in de werking en opbouw van diverse spectrometers en wordt een variëteit van spectra gemeten om de samenstelling van een onbekende stof op te helderen en kennis te maken met het meten en interpreteren van spectra.

Spectroscopie van Moleculen en Materialen bouwt voort op kennis die is opgedaan bij Spectroscopie colleges in jaar 1 en sluit goed aan bij colleges Anorganische (en Vaste Stof) Chemie in jaar 1 en 2. Daarnaast is er een duidelijk verband met vakken binnen de leerlijn Quantum Chemie, Organische
Chemie en ook Structuuranalyse. Het vak beoogt naast spectroscopische kennis ook inzicht in symmetrie en groepentheorie bij te brengen, die in veel vakgebieden binnen de Scheikunde een basis vormen voor een beter begrip van eigenschappen van moleculen en materialen. De verdiepende theorie en kennismaking met de werking van spectroscopische technieken is nuttig bij onderzoeksmasters, zowel Molecular and Cellular Life Sciences, Sustainable and Circular Chemistry als Nanomaterials Science. Spectroscopische analysetechnieken spelen binnen deze masteropleidingen een belangrijke rol en een dieper begrip van theorie en praktijk van spectroscopische technieken helpt bij het verrichten van het onderzoek. Het college verschaft studenten ook voorkennis, die nodig is bij verdiepende colleges zoals Advanced Spectroscopy in de Nanomaterials Science master.