Jyväskylän yliopisto

Nanoklusterien pintakemia ohjaa uudenlaisten toiminnallisten materiaalien kasvua

Jaa

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijat olivat mukana kansainvälisessä tutkimuksessa, jossa löydettiin uusia, atomintarkoista nanoklustereista muodostuvia kidemäisiä materiaaleja. Tutkimuksessa havaittiin, että kulta-atomeista muodostuneiden nanoklusterien pinnalla tapahtuvia kemiallisia reaktioita säätelemällä voidaan vaikuttaa materiaalien kasvuun ja ominaisuuksiin. Tulokset auttavat suunnittelemaan uudenlaisia nanopartikkeleista koostuvia toiminnallisia metamateriaaleja esimerkiksi optisiin tai nanolääketieteen sovelluksiin.

Taustalla näkyvä elektronimikroskoopin kuva kultaklustereista (tummat alueet) koostuvasta järjestyneestä kiteestä voidaan selittää tiivisti pakkautuneilla klusteririhmoilla (vaaleat pienet atomit). Etualalla suurennettu atomirakenne kahdesta kultaklusterista ja niitä yhdistävästä kulta-ligandi-ketjusta. Grafiikka: Sami Malola, Jyväskylän yliopisto
Taustalla näkyvä elektronimikroskoopin kuva kultaklustereista (tummat alueet) koostuvasta järjestyneestä kiteestä voidaan selittää tiivisti pakkautuneilla klusteririhmoilla (vaaleat pienet atomit). Etualalla suurennettu atomirakenne kahdesta kultaklusterista ja niitä yhdistävästä kulta-ligandi-ketjusta. Grafiikka: Sami Malola, Jyväskylän yliopisto

Tavallinen kiinteä aine koostuu kidehilaan järjestyneistä atomeista. Atomien kemiallinen luonne ja kidehilan järjestys määrittävät aineen ominaisuudet, esimerkiksi sen, onko aine metalli, puolijohde vai sähköinen eriste.

Ulkoiset olosuhteet, kuten lämpötila tai hyvin korkea paine, voivat muuttaa kidehilan järjestystä. Näin esimerkiksi sähköisesti eristävästä materiaalista voidaan saada aikaan sähköä johtava metallinen materiaali.

Keinotekoisesti voidaan valmistaa niin sanottuja metamateriaaleja, joissa kidehilaan järjestyneet aineen rakennuspalikat ovat yksittäistä atomia suurempia kokonaisuuksia.

Nyt julkaistussa tutkimuksessa valmistettiin yhden nanometrin kokoisia, rakenteeltaan tunnettuja ja veteen liukenevia 25 kulta-atomin klustereita, joiden pinnalla on metallia suojaavia ligandimolekyylejä. Kun vesiliuokseen lisättiin klustereiden pinnalle heikosti tarttuvia molekyylejä (tetra-alkyyliammonium-ioneja), klusterit muodostivat noin mikrometrin kokoisia täydellisesti järjestyneitä kiteitä.

Kun kiteiden rakennetta tutkittiin elektronimikroskoopilla, niiden havaittiin koostuvan tiiviisti pakkautuneista klusterien ”rihmoista”, joissa yksittäiset klusterit olivat liittyneet toisiinsa lyhyillä ”kultaketjuilla”.

Klustereiden pinnalle tarttuvien molekyylien kokoa muuttelemalla voitiin vaikuttaa siihen, minkä kokoisia ja minkä muotoisia kidemateriaaleja saatiin kasvatettua.

Jyväskylän yliopiston laskennallisen nanotieteen ryhmän tutkijat analysoivat klusterimateriaaleista otettuja mikroskooppikuvia käyttäen kuvantunnistusmenetelmiä, rakensivat atomaarisen mallin kiteelle ja simuloivat klusterien pinnoilla tapahtuvia molekulaarisia vuorovaikutuksia, jotka selittävät havaitun rihmamaisen rakenteen syntymisen. Näin voitiin selvittää makroskooppisten materiaalien kasvuun liittyviä prosesseja lähtien atomitason kemian kuvauksesta.

”Tutkimuksessa käytettyjen kultaklustereiden atomirakenne on ollut tunnettu vuodesta 2008 lähtien, mutta vasta nyt olemme saaneet selville miten yksittäiset klusterit muodostavat makroskooppisia järjestyneitä metamateriaaleja ja miten materiaalien kasvuun voi vaikuttaa klustereiden pintakemiaa säätelemällä”, kertoo laskennallisen nanotieteen tutkimusryhmää johtava professori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksesta.

”Tuloksemme ovat tärkeitä tutkijayhteisölle, joka haluaa ymmärtää, miten metamateriaaleja voidaan kasvattaa ja muokata esimerkiksi optisiin tai nanolääketieteen sovelluksiin.”

Tutkimuksessa käytetyt klusterimateriaalit valmistettiin Singaporen kansallisessa yliopistossa ja mikroskopiakuvaukset tehtiin KAUST-yliopistossa Saudi-Arabiassa. Tutkimus julkaistiin arvostetussa Nature Chemistry -lehdessä 10.11.2022.

Julkaisu: https://www.nature.com/articles/s41557-022-01079-9

Lisätietoja:
Professori Hannu Häkkinen, hannu.j.hakkinen@jyu.fi, +358 400 247 973

Laskennallisen nanotieteen tutkimusryhmä, Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskus: https://r.jyu.fi/zA7

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Kuvat

Taustalla näkyvä elektronimikroskoopin kuva kultaklustereista (tummat alueet) koostuvasta järjestyneestä kiteestä voidaan selittää tiivisti pakkautuneilla klusteririhmoilla (vaaleat pienet atomit). Etualalla suurennettu atomirakenne kahdesta kultaklusterista ja niitä yhdistävästä kulta-ligandi-ketjusta. Grafiikka: Sami Malola, Jyväskylän yliopisto
Taustalla näkyvä elektronimikroskoopin kuva kultaklustereista (tummat alueet) koostuvasta järjestyneestä kiteestä voidaan selittää tiivisti pakkautuneilla klusteririhmoilla (vaaleat pienet atomit). Etualalla suurennettu atomirakenne kahdesta kultaklusterista ja niitä yhdistävästä kulta-ligandi-ketjusta. Grafiikka: Sami Malola, Jyväskylän yliopisto
Lataa

Linkit

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 tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Jyväskylän yliopisto

Väitös 10.12.2022: Treenin ja palautumisen mittaamisesta saa hyötyä harjoitteluun – oman kehon kuuntelua unohtamatta7.12.2022 08:00:00 EET | Tiedote

Harjoitus- ja palautumistiedon mittaaminen voi hyödyttää myös kuntoliikkujia, selviää Jyväskylän yliopiston liikuntatieteellisessä tiedekunnassa tehdyssä väitöskirjassa. Haasteena ovat tilanteet, joissa koettu palautumistila ja sykemittarin tulos eivät kohtaa. Yksittäisen mittarin sijaan palautumista kannattaakin tarkastella laajempana kokonaisuutena.

Väitös 12.12.2022: Tehokkaampia keinoja kemiallisten yhdisteiden termodynaamisten ominaisuuksia arviointiin (Vuori)5.12.2022 09:00:00 EET | Tiedote

Kemiallisissa reaktioissa aineet muuttuvat toisiksi aineiksi, jolloin energiaa joko vapautuu tai sitoutuu. Energianmuutoksien tutkimiseen tarvitaan tarkkaa tietoa aineiden termodynaamisista ominaisuuksista. FM Hannu Vuori laski väitöstutkimuksessaan näitä ominaisuuksia yli 300 fosforin, piin ja boorin yhdisteelle. Tuloksia voidaan hyödyntää monilla teknologian aloilla, kuten puolijohdeteollisuudessa, energian varastoinnissa ja vetyteknologiassa.

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