Huokoisten rakenteiden ja adsorptioilmiöiden tutkiminen harvinaisten maametallien fosfaateissa ja sillatuissa resorsinareenihäkeissä kokeellisen ja laskennallisen 31P- ja 129Xe NMR-spektroskopian avulla

Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää aineen rakennetta ja adsorptio-ominaisuuksia keskeisille materiaaleille, joilla on laajasti sovelluksia ympäristötieteestä tekniikkaan. Tutkitut materiaalit ovat harvinaisten maametallien fosfaatteja ja resorsinareenihäkkejä. Tutkimme näiden materiaalien rakenteita ja mikro/nanokokoluokan huokosia käyttämällä NMR-spektroskopiaa. DFT-laskentamenetelmiä hyödynnettiin kokeellisten tulosten tulkitsemiseen sekä tutkittujen systeemien molekyylitason rakenteiden ymmärtämiseen.
Ensimmäisessä osassa määritimme vesimolekyylien konfiguraatioita harvinaisten maametallien fosfaateissa ja karakterisoimme näytteiden pinta- ja huokosrakenteita. Harvinaisten maametallien yhdisteistä tutkimme lantaanin, samariumin, lutetiumin ja ytterbiumin fosfaatteja. Käytimme ensimmäistä kertaa harvinaisten maametallien fosfaattien tutkimuksessa 129Xe NMR-spektroskopiaa, tekniikkaa, joka on erittäin herkkä kemialliselle ympäristölle ja joka voi tarjota yksityiskohtaista tietoa huokoisten materiaalien rakenteista. 129Xe NMR-analyysia täydennettiin 31P kiinteän aineen NMR-menetelmillä, jotka antavat lisätietoja paikallisista rakenteista ja vesimolekyylien koordinaatiosta pinnoilla. Kvanttikemiallisten laskujen antama täydentävä tieto mahdollisti useiden pintarakenteiden tunnistamisen ja lisäksi niiden avulla voitiin vahvistaa kokeelliset havainnot faasien sisäosien rakenteista. Lisävahvistusta materiaalien rakenteelliseen karakterisointiin saatiin PXRD-, TGA-, LDS-, FTIR- ja FESEM-menetelmillä.
Toiseksi tutkimme supramolekulaarisia häkkimolekyylejä, jotka perustuvat sillattuihin resorsinareenimakrosykleihin. Ne ovat uusia, lupaavia ja edullisia potentiaalisia häkkejä 129Xe NMR biosensorisovelluksille. Laskennallinen mallintaminen ennusti ainutlaatuisia kemiallisia siirtymiä ksenonille häkeissä, ja ksenon-atomin liikettä heijastavat NMR-kokeet paljastivat nopean ksenonin vaihtodynamiikan, mikä on suotuisa ominaisuus biosensorisovelluksille.

Avainsanat: adsorptio, harvinaisten maametallien fosfaatit, Xe-biosensorit, sillatut resorsinareenihäkit, NMR-spektroskopia, 31P, 129Xe, DFT, CEST.