Laskennallisia NMR-tutkimuksia hiilinanorakenteissa

Ydinmagneettinen resonanssi (NMR) on menetelmä, jolla voidaan tarkastella materiaalien sisäistä rakennetta ja nähdä, millaisessa ympäristössä atomit ovat.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan, miten NMR-signaali muuttuu, kun hiiliatomit tai ksenonkaasu sijoittuvat erilaisiin nanomittakaavan ympäristöihin. Tutkimus tehdään laskennallisesti yhdistämällä kvanttimekaniikkaan perustuvia laskuja ja atomistisia simulaatioita. Lähestymistapa toimii kuin tietokoneella toteutettu NMR-laboratorio, jossa olosuhteet voidaan valita tarkasti ja tutkia sellaisia ilmiöitä, joita on käytännön kokeissa vaikea havaita.

Tutkimuskohteena ovat hiilestä koostuvat nanorakenteet, kuten pallomaiset fullereenit ja putkimaiset hiilinanoputket. Nämä hiilinanorakenteet ovat lupaavia materiaaleja esimerkiksi elektroniikassa ja kaasujen talteenotossa, mutta niiden käyttäytymistä on vaikea mitata ja tulkita pelkkien kokeellisten mittausten avulla.

Ensimmäisessä osassa tutkitaan fullereenia C₆₀, joka koostuu 60 hiiliatomista muodostaen jalkapallon kaltaisen rakenteen. Tulokset osoittavat, että tämä molekyyli käyttäytyy lämmetessään epätavallisesti: se kutistuu ennen kuin alkaa laajeta. Toisessa ja kolmannessa osassa keskityn ksenonkaasuun hiilinanoputkien sisällä ja niiden ympärillä. Laskut paljastavat, että NMR-signaali reagoi herkästi siihen, onko kaasu putken sisällä, ulkopinnalla vai putkikimpun kapeissa koloissa, ja siihen, onko hiilinanoputki sähköisesti metallinen vai puolijohde. Näiden tulosten perusteella ksenonia voidaan käyttää arvioimaan sen ympärillä olevaa nanorakennetta ja NMR-signaali toimii herkkänä anturina putken rakenteelle ja sähköisille ominaisuuksille.

Väitöskirja osoittaa, että huolellisesti suunnitellut laskennalliset menetelmät auttavat ymmärtämään sekä kokeissa havaittuja NMR-ilmiöitä että hiilinanomateriaalien ominaisuuksia laajemmin. Tämä tieto tukee tulevaa tutkimusta, jossa kehitellään uusia sovelluksia ja entistä tarkempia mittaus- ja mallinnusmenetelmiä nanomateriaalien tutkimukseen.