Kokeellisia tutkimuksia klustereiden ja nanopartikkeleiden rakenteellisista, dynaamisista ja elektronisista ominaisuuksista
Väitöstilaisuuden tiedot
Väitöstilaisuuden päivämäärä ja aika
Väitöstilaisuuden paikka
IT116
Väitöksen aihe
Kokeellisia tutkimuksia klustereiden ja nanopartikkeleiden rakenteellisista, dynaamisista ja elektronisista ominaisuuksista
Väittelijä
Filosofian maisteri Eetu Pelimanni
Tiedekunta ja yksikkö
Oulun yliopiston tutkijakoulu, Luonnontieteellinen tiedekunta, Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikkö (NANOMO)
Oppiaine
Fysiikka
Vastaväittäjä
Dosentti Michal Fárník, J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry, Czech Academy of Sciences, Prague, Czech Republic
Kustos
Apulaisprofessori Minna Patanen, Oulun yliopisto
Kokeellisia tutkimuksia klustereiden ja nanopartikkeleiden rakenteellisista, dynaamisista ja elektronisista ominaisuuksista
Vesi on olennainen osa ympäröivää maailmaamme. Niin valtamerissä, ilmakehässä kuin kaikessa elävässäkin, lukemattomat vesimolekyylit vuorovaikuttavat toistensa sekä muiden atomien ja molekyylien kanssa. Näiden vuorovaikutusten syvällinen ymmärtäminen perustuu aineen elektroniverhon ominaisuuksien ja molekyylitason fysikaalis-kemiallisten ilmiöiden tutkimukseen.
Tässä väitöstyössä tutkittiin nanomittakaavan vesipisaroita, niin sanottuja vesiklustereita, ja erityisesti epäorgaanisten aineiden elektronirakennetta ja käyttäytymistä näissä rajoitetun koon liuosympäristöissä. Nanomittaluokan systeemien ominaisuudet ovat usein tavanomaisesta materiasta poikkeavia, ja niiden tutkimus lisää myös ymmärrystä siitä, miten vesiliuosten ominaisuudet kehittyvät yksittäisten atomien ja molekyylien kollektiivisesta vuorovaikutuksesta.
Kokeelliset mittaukset suoritettiin kansainvälisissä synkrotronisäteilylaboratorioissa Ranskan SOLEIL:ssa ja Ruotsin MAX IV:ssa, sekä Oulun yliopistossa. Näytteisiin kohdistettiin ionisoivaa säteilyä, ja tietoa kerättiin ionisaatioprosesseissa vapautuvia elektroneja ja ioneja analysoimalla.
Väitöstyön ensimmäisessä osassa tarkasteltiin (maa-)alkalimetallien ja halogeenien ominaisuuksia sekä pintarikastumista noin 100–200 nanometrin kokoisissa nanopartikkeleissa. Tutkimuksessa havaittiin muun muassa merkittävää magnesiumionien rikastumista natriumbromidi-magnesiumbromidi-vesiliuoksista muodostettujen hiukkasten pinnalle. Tulokset lisäävät ymmärrystä aerosolihiukkasten rakenteellisista ominaisuuksista, ja ne luovat pohjaa myös luonnollisesti syntyvien merisuola-aerosolihiukkasten pintaominaisuuksien tuntemukselle.
Työn toisessa osassa tutkittiin noin 2–3 nanometrin kokoisiin vesiklustereihin liuotetun kaliumkloridin sisä- ja valenssielektronikuorten ominaisuuksia sekä näiden riippuvuutta klusterin koosta ja ionien konsentraatiosta. Saadut tulokset rakentavat siltaa atomifysiikan ja makroskoppisten vesiliuosten fysiikan välille.
Kolmannessa osatutkimuksessa tarkasteltiin korkeaenergisten elektronien ja vesiympäristössä olevien atomien keskinäistä vuorovaikutusta. Työssä hyödynnettiin moniulotteista elektroni-ioni-koinsidenssi-tekniikkaa, jonka avulla pystyttiin tarkastelemaan argon-vesi-klusterien fragmentaatiota valikoidun sisäkuoren ionisaatioprosessin seurauksena. Tutkimuksessa havaittiin muun muassa vesiklusteriin kiinnitetyn argonatomin kaksinkertaista ionisoitumista seuraavan tehokas varauksen siirtyminen vesimolekyyleihin. Tulokset lisäävät kvalitatiivista ymmärrystä sisäkuoren ionisaatioprosesseista ja molekyylitason säteilyvaurioista niin klustereissa kuin yleisesti vesimolekyylejä sisältävissä kemiallisissa ympäristöissä.
Tässä väitöstyössä tutkittiin nanomittakaavan vesipisaroita, niin sanottuja vesiklustereita, ja erityisesti epäorgaanisten aineiden elektronirakennetta ja käyttäytymistä näissä rajoitetun koon liuosympäristöissä. Nanomittaluokan systeemien ominaisuudet ovat usein tavanomaisesta materiasta poikkeavia, ja niiden tutkimus lisää myös ymmärrystä siitä, miten vesiliuosten ominaisuudet kehittyvät yksittäisten atomien ja molekyylien kollektiivisesta vuorovaikutuksesta.
Kokeelliset mittaukset suoritettiin kansainvälisissä synkrotronisäteilylaboratorioissa Ranskan SOLEIL:ssa ja Ruotsin MAX IV:ssa, sekä Oulun yliopistossa. Näytteisiin kohdistettiin ionisoivaa säteilyä, ja tietoa kerättiin ionisaatioprosesseissa vapautuvia elektroneja ja ioneja analysoimalla.
Väitöstyön ensimmäisessä osassa tarkasteltiin (maa-)alkalimetallien ja halogeenien ominaisuuksia sekä pintarikastumista noin 100–200 nanometrin kokoisissa nanopartikkeleissa. Tutkimuksessa havaittiin muun muassa merkittävää magnesiumionien rikastumista natriumbromidi-magnesiumbromidi-vesiliuoksista muodostettujen hiukkasten pinnalle. Tulokset lisäävät ymmärrystä aerosolihiukkasten rakenteellisista ominaisuuksista, ja ne luovat pohjaa myös luonnollisesti syntyvien merisuola-aerosolihiukkasten pintaominaisuuksien tuntemukselle.
Työn toisessa osassa tutkittiin noin 2–3 nanometrin kokoisiin vesiklustereihin liuotetun kaliumkloridin sisä- ja valenssielektronikuorten ominaisuuksia sekä näiden riippuvuutta klusterin koosta ja ionien konsentraatiosta. Saadut tulokset rakentavat siltaa atomifysiikan ja makroskoppisten vesiliuosten fysiikan välille.
Kolmannessa osatutkimuksessa tarkasteltiin korkeaenergisten elektronien ja vesiympäristössä olevien atomien keskinäistä vuorovaikutusta. Työssä hyödynnettiin moniulotteista elektroni-ioni-koinsidenssi-tekniikkaa, jonka avulla pystyttiin tarkastelemaan argon-vesi-klusterien fragmentaatiota valikoidun sisäkuoren ionisaatioprosessin seurauksena. Tutkimuksessa havaittiin muun muassa vesiklusteriin kiinnitetyn argonatomin kaksinkertaista ionisoitumista seuraavan tehokas varauksen siirtyminen vesimolekyyleihin. Tulokset lisäävät kvalitatiivista ymmärrystä sisäkuoren ionisaatioprosesseista ja molekyylitason säteilyvaurioista niin klustereissa kuin yleisesti vesimolekyylejä sisältävissä kemiallisissa ympäristöissä.
Viimeksi päivitetty: 1.3.2023