Jyväskylän yliopisto

Edistysaskel nanorakenteiden tutkimisessa: tutkijat analysoivat pyörrevirtoja nanokokoisten kultapartikkelien sisässä

Jaa

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen ja meksikolaisen Guadalajaran yliopiston tutkijat kehittivät menetelmän, jonka avulla voidaan simuloida ja visualisoida ulkoisen magneettikentän synnyttämiä elektronien pyörrevirtoja nanometrikokoisten kultapartikkelien sisällä. Menetelmän avulla voidaan tutkia entistä tarkemmin magneettikentän vaikutusta kemiallisesti monimutkaisten nanorakenteiden ydinmagneettisissa resonanssimittauksissa sekä määrittää kvantitatiivisia kriteereitä nanopartikkelien aromaattisuudelle. Tutkimus julkaistiin 30.4. 2021 Open Access -artikkelina arvostetussa Nature Communications -tiedelehdessä.

Fosfiinimolekyyleillä suojatun kultapartikkelin atomirakenne (vas.) ja magneettikentän aiheuttama pyörrevirta partikkelin keskellä kulkevassa tasossa (oik.). Kokonaispyörrevirta koostuu kahdesta eri suuntaan kulkevasta osasta (ns. paratrooppinen ja diatrooppinen osa). Kuva: Jyväskylän yliopisto/Omar Lopez Estrada
Fosfiinimolekyyleillä suojatun kultapartikkelin atomirakenne (vas.) ja magneettikentän aiheuttama pyörrevirta partikkelin keskellä kulkevassa tasossa (oik.). Kokonaispyörrevirta koostuu kahdesta eri suuntaan kulkevasta osasta (ns. paratrooppinen ja diatrooppinen osa). Kuva: Jyväskylän yliopisto/Omar Lopez Estrada

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

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Kuvat

Fosfiinimolekyyleillä suojatun kultapartikkelin atomirakenne (vas.) ja magneettikentän aiheuttama pyörrevirta partikkelin keskellä kulkevassa tasossa (oik.). Kokonaispyörrevirta koostuu kahdesta eri suuntaan kulkevasta osasta (ns. paratrooppinen ja diatrooppinen osa). Kuva: Jyväskylän yliopisto/Omar Lopez Estrada
Fosfiinimolekyyleillä suojatun kultapartikkelin atomirakenne (vas.) ja magneettikentän aiheuttama pyörrevirta partikkelin keskellä kulkevassa tasossa (oik.). Kokonaispyörrevirta koostuu kahdesta eri suuntaan kulkevasta osasta (ns. paratrooppinen ja diatrooppinen osa). Kuva: Jyväskylän yliopisto/Omar Lopez Estrada
Lataa

Tietoja julkaisijasta

Jyväskylän yliopisto
PL 35
40014 Jyväskylä

http://www.jyu.fi

Jyväskylän keskustassa sijaitsevan yliopiston kauniilla puistokampuksella sykkii monitieteinen ja moderni tiedeyliopisto – ihmisläheinen ja dynaaminen yhteisö, jonka 2500 asiantuntijaa ja 15 000 opiskelijaa etsivät ja löytävät vastauksia huomisen kysymyksiin. Jyväskylän yliopisto on ollut tulevaisuuden palveluksessa jo vuodesta 1863, jolloin suomenkielinen opettajankoulutus sai alkunsa täältä. Voimanlähteenämme on moniarvoinen vuoropuhelu tutkimuksen, koulutuksen ja yhteiskunnan välillä. Vaalimme tutkimuksen ja koulutuksen tasapainoa sekä ajattelun avoimuutta – sytytämme taidon, tiedon ja intohimon elää viisaasti ihmiskunnan parhaaksi. www.jyu.fi

Tilaa tiedotteet sähköpostiisi

Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat mediatiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Jyväskylän yliopisto

Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.

Tutustu uutishuoneeseemme