Jyväskylän yliopiston tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jonka avulla voidaan simuloida ja visualisoida ulkoisen magneettikentän synnyttämiä elektronien pyörrevirtoja nanorakenteissa.
Professori Hannu Häkkisen ryhmän lisäksi tutkimukseen osallistui meksikolainen Guadalajaran yliopisto.
Uuden menetelmän avulla voidaan tutkia entistä tarkemmin magneettikentän vaikutusta kemiallisesti monimutkaisten nanorakenteiden ydinmagneettisissa resonanssimittauksissa (NMR).
Tutkimuksen tulokset julkaisi Nature Communications.
Uusi työkalu toimii yksittäisen atomin tarkkuudella
Tutkijat sovelsivat menetelmää orgaanisilla molekyyleilla suojattuihin kultapartikkeleihin ja kehittivät niiden sisällä liikkuvien pyörrevirtojen vahvuuksista uuden kvantitatiivisen kriteerin partikkelin aromaattisuudelle.
Molekyylien aromaattisuus 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 kuitenkaan ole.
”Nyt kehittämämme menetelmä antaa uuden työkalun analysoida magneettikentän aiheuttamia pyörrevirtoja yksittäisen atomin tarkkuudella periaatteessa minkä tahansa nanorakenteen sisällä”, Häkkinen kertoo.
”Julkaisumme vertaisarvioijat pitivät tätä hyvin merkittävänä edistysaskeleena.”
NMR mahdollistaa epäsuoran mittauksen
Klassisen sähköopin mukaisesti magneettikentässä liikkuvaan varattuun hiukkaseen vaikuttaa voima, joka pyrkii pitämään hiukkasen suljetulla ympyräradalla.
Kun pieniä metallinanopartikkeleja altistetaan magneettikentälle, kenttä synnyttää nanopartikkelin sisään elektronien pyörrevirran.
Pyörrevirta puolestaan saa aikaan partikkeliin ulkoista kenttää vastustavan sisäisen magneettikentän, jonka vahvuutta voidaan mitata epäsuorasti NMR-mittauksen avulla.
Suojaava kenttä partikkelin sisällä vaihtelee atomien elektronisten ominaisuuksien mukaisesti hyvin pienessä mittakaavassa.
Pienenkin nanopartikkelin sisässä on alueita, joissa kentän suuruus on hyvin erilainen. Alueelliset erot vaikuttavat NMR-mittauksien tuloksiin, ja niiden ymmärtämiseen tarvitaan kvanttimekaniikkaan perustuvia menetelmiä.
(Kuva: Jyväskylän yliopisto/Omar Lopez Estrada) Fosfiinimolekyyleilla suojatun kultapartikkelin atomirakenne (vas.) ja magneettikentän aiheuttama pyörrevirta partikkelin keskellä kulkevassa tasossa (oik.). Kokonaispyörrevirta koostuu paratrooppisesta ja diatrooppisesta osasta, jotka kulkevat eri suuntiin.
