Sisäkuorelta ionisoitujen molekyylien kvantti ja kvantti-klassiset laskut vaihtelevissa ympäristöissä

Väitöskirjassa tutkittiin laskennallisesti, kuinka paljon energiaa tarvitaan molekyylien sisäkuorilla olevien elektronien irrottamiseen. Tämän niin kutsutun sidosenergian suuruus riippuu siitä, mikä elektronikuori ja molekyyli ovat kyseessä sekä millaisessa kemiallisessa ympäristössä kyseinen molekyyli sijaitsee. Vertaamalla laskettuja arvoja kokeellisiin on muun muassa mahdollista tehdä päätelmiä kemiallisten prosessien etenemisestä ja mitatun näytteen rakenteesta. Mahdollisia käytännön sovelluskohteita menetelmille löytyy muun muassa lääke- ja materiaalitieteistä, joissa materiaalien puhtauden varmistaminen on tärkeää.

Väitöstyö jakaantuu kahteen kokonaisuuteen. Ensimmäisessä osassa tutkittiin tyhjiössä olevien elohopeamolekyylien hajoamista pienemmiksi molekyyleiksi ja atomeiksi elektronin irrottamisen seurauksena. Työssä sovellettiin kvanttimekaniikkaan ja suhteellisuusteoriaan perustuvia menetelmiä tarkkojen sidosenergioiden sekä molekyylien hajottamiseen vaadittavien energioiden laskemiseksi. Vertaamalla näin saatuja arvoja kokeellisiin tuloksiin saatiin tietoa, miten molekyyli hajoaa riippuen miltä kuorelta elektroni poistetaan.

Toisessa kokonaisuudessa tutkittiin kvanttimekaniikkaa ja klassista mekaniikkaa yhdistävien menetelmien soveltuvuutta sisäkuorten elektronien sidosenergioiden laskemiseen kolmessa hyvin erilaisessa ympäristössä. Tutkimuskohteina olivat vesi-etanoli -seokset, hopeapinnalla olevat molekyylit ja akryylipolymeerit. Puhtaasti kvanttimekaniikkaan perustuvilla menetelmillä laskut olisivat olleet liian raskaita ja toisaalta pelkkä klassinen käsittely ei olisi ollut riittävä. Työt osoittivat, että kvantti-klassiset menetelmät soveltuvat erittäin hyvin valittuihin kohteisiin. Näin ollen väitöskirjassa tehdyt tutkimukset antavat uusia työkaluja tarkkuutta vaativien nanomittakaavan systeemien tutkimiseen.

Väitöstyö on tehty yhteistyössä Oulun yliopiston Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikön ja Kuninkaallisen teknillisen korkeakoulun (KTH) Teoreettisen kemian ja biologian tutkimusyksikön kanssa.