Metalleja sisältävien nanosysteemien magneettiset resonanssiominaisuudet

Väitöskirjassa on tutkittu raskaita metalleja sisältävien, nanokokoisten molekyylien ja molekyylikiteiden magneettisia resonanssiominaisuuksia käyttämällä edistyksellisiä kvanttikemiallisia laskentamenetelmiä. Nanosysteemit ovat kiinnostavia muun muassa kvanttimekaanisista ilmiöistä johtuvien, erikoisten ominaisuuksiensa vuoksi. Nykyisin erilaisia metallinanosysteemejä hyödynnetään muun muassa syöpälääkkeissä, voiteluöljyissä ja malmin rikastuksessa. Uusia sovellusmahdollisuuksia, kuten jalokaasujen vangitsemista ja bioantureita, tutkitaan jatkuvasti. Perustutkimuksen ja mahdollisten sovellusten kannalta on ensiarvoisen tärkeää voida määrittää nanosysteemien tarkka molekyylirakenne ja saada niistä luotettavaa atomitason tietoa.

Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia (NMR) soveltuu nanosysteemien tutkimiseen erinomaisesti, koska sillä voidaan tarkastella aineen kaikkia olomuotoja kohdetta vahingoittamatta. NMR-parametrit ovat erittäin herkkiä atomien kemialliselle ympäristölle, mitä voidaan hyödyntää muun muassa molekyylirakennetta tai atomien liikettä tutkittaessa. Laskennallista NMR-spektroskopiaa, joka tarjoaa mahdollisuuden nähdä koetuloksia syvemmälle, on toistaiseksi hyödynnetty lähinnä keveiden alkuaineiden ja pienten kohteiden tutkimiseen. Kemian ja materiaalitieteen kannalta mielenkiintoisissa, raskaita alkuaineita sisältävissä nanosysteemeissä erityisesti monihiukkasvuorovaikutukset sekä Albert Einsteinin suppean suhteellisuusteorian huomioon ottaminen tekevät laskennallisesta mallinnuksesta haastavaa.

Tutkimuksessa päästiin koetuloksiin verrattavaan tarkkuuteen raskaita metalleja sisältävissä, kemiallisesti kiinnostavissa nanosysteemeissä. Käytettyjen menetelmien toimivuus varmistettiin vertaamalla niitä tarkempiin teorioihin pienissä metallikomplekseissa. Itsejärjestyvän, rautapohjaisen molekyylihäkin NMR-mallinnuksella vahvistettiin, että se kykenee sulkemaan ksenonatomin sisäänsä, minkä lisäksi selitettiin jalokaasun kokeellisesti havaittu lämpötilakäyttäytyminen. Viidelle keskenään samankaltaiselle platina-molekyylikiteelle pystyttiin puolestaan määrittämään tarkat atomistiset rakenteet, erottelemaan ne toisistaan sekä analysoimaan kokeellisesti mitattujen NMR-parametrien suuntariippuvuus molekyylitasolla, sekä tärkeimmät niihin vaikuttavat tekijät.

Väitöstyö osoittaa, että laskennallinen NMR-spektroskopia on käyttökelpoinen ja tarkka menetelmä nanokokoisten metalleja tai muita raskaita alkuaineita sisältävien kohteiden atomitason ominaisuuksien tutkimiseen ja analysointiin. Saatuja tuloksia voidaan käyttää varmistamaan, selittämään ja parhaimmassa tapauksessa jopa ennustamaan kokeellisia havaintoja sekä tuottamaan tietoa, jota on haastavaa, kallista tai jopa mahdotonta hankkia muilla keinoilla.