Edistysaskel nanorakenteiden tutkimisessa: tutkijat analysoivat pyörrevirtoja nanokokoisten kultapartikkelien sisässä

Klassisen sähköopin mukaisesti magneettikentässä liikkuvaan varattuun hiukkaseen vaikuttaa voima, joka pyrkii pitämään hiukkasen suljetulla ympyräradalla. Tähän voimaan perustuu mm. hiukkaskiihdyttimenä toimivan syklotronin periaate. Kun pieniä metallinanopartikkeleja altistetaan magneettikentälle, kenttä synnyttää nanopartikkelin sisään elektronien pyörrevirran. Pyörrevirta puolestaan synnyttää partikkeliin ulkoista kenttää vastustavan sisäisen magneettikentän. Tämän suojaavan magneettikentän vahvuutta voidaan epäsuorasti mitata ns. ydinmagneettisen resonanssin (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) avulla.

Suojaava kenttä partikkelin sisällä vaihtelee atomien elektronisten ominaisuuksien mukaisesti hyvin pienessä mittakaavassa, ja pienenkin nanopartikkelin sisässä on alueita, joissa kentän suuruus on hyvinkin erilainen. Alueelliset erot vaikuttavat NMR-mittauksien tuloksiin ja niiden ymmärtämiseen tarvitaan kvanttimekaniikkaan perustuvia menetelmiä.

Kehitetty menetelmä on edistysaskel nanorakenteiden aromaattisuuden tutkimisessa

Nyt julkaistussa työssä professori Hannu Häkkisen tutkimusryhmä kehitti yhteistyössä meksikolaisen Guadalarajan yliopiston kanssa menetelmän laskea ja visualisoida ulkoisen magneettikentän aiheuttamia elektronien pyörrevirtoja monimutkaisissa kolmiulotteisissa nanorakenteissa. Menetelmää sovellettiin orgaanisilla molekyyleillä suojattuihin kultananopartikkeleihin, joista pystyttiin analysoimaan ja selittämään kirjallisuudessa esitettyjä mittaustuloksia kultaan sitoutuneen vetyatomin vasteeseen NMR-mittauksissa, kun yksi partikkelin kulta-atomeista vaihdetaan platina-atomiin.

Kultapartikkelin sisällä liikkuvien pyörrevirtojen vahvuuksista kehitettiin uusi kvantitatiivinen kriteeri partikkelin aromaattisuudelle.

”Molekyylien aromaattisuus on kemian vanhimpia käsitteitä, ja se on perinteisesti liitetty orgaanisten molekyylien rengasrakenteisiin ja niissä olevaan atomien yhteiseen ”elektronipilveen” johon voi myös syntyä pyörrevirtoja ulkoisessa magneettikentässä. Yleisesti hyväksyttyjä kvantitatiivisia kriteereitä aromaattisuudelle ei ole kuitenkaan olemassa. Nyt kehittämämme menetelmä antaa uuden työkalun analysoida magneettikentän aiheuttamia pyörrevirtoja yksittäisen atomin tarkkuudella periaatteessa minkä tahansa nanorakenteen sisällä. Julkaisumme vertaisarvioijat pitivät tätä hyvin merkittävänä edistysaskeleena”, toteaa tutkimusta johtanut Häkkinen.

Nature Communications -sarjassa 30.4.2021 julkaistun artikkelin pääkirjoittaja on tutkijatohtori Omar Lopez Estrada. Tutkimuksessa olivat mukana myös tohtorikoulutettava Elli Selenius ja yliopistotutkija Sami Malola Häkkisen tutkimusryhmästä sekä professori Bernardo Zuniga-Gutierrez Guadalarajan yliopistosta Meksikosta. Tutkimus on Suomen Akatemian rahoittama ja tietokonelaskut tehtiin Jyväskylän yliopistossa kansalliseen FCCI-infrastruktuuriin kuuluvalla laitteistolla. Linkki tutkimusartikkeliin

Lisätietoja:
Professori Hannu Häkkinen, Jyväskylän yliopisto, Nanotiedekeskus, hannu.j.hakkinen@jyu.fi, puh. 0400 247 973