Digitoday

Valikko

Ksenon-vakoilija-atomi tuo uutta tietoa materiaaleista

Perttu Lantto on hyödyntänyt tutkimusryhmänsä kanssa CSC:n supertietokoneen Louhen avulla Ksenon-vakoilija-atomia, joka tuo uutta tietoa materiaalien omaisuuksista.
Lanton tutkimus perustuu ksenonin ja muiden raskaiden ydinten NMR-varjostustensorin laskentaan, kertoo CSC:n tiedote.

Xe-NMR -tutkimuksessa havaitaan muun muassa ksenonin kemiallista siirtymää erilaisissa nanosysteemeissä kuten esimerkiksi hiilinanoputkissa ja klatraateissa. Klatraatit ovat molekyylirykelmiä, joissa yleensä yhdestä molekyylityypistä on muodostunut häkki, jonka sisällä voi olla jokin toinen atomi tai molekyyli. Tässä tutkimuksessa se oli Xe.

Ksenon-atomi toimii herkkänä kemiallisena anturina kiinnostuksen kohteena olevissa rakenteissa. Tutkimuksen mukaan ympäristön vaikutus Xe-vakoilija-atomin elektronirakenteeseen voidaan havaita NMR-spektriparametreissa. Laskennan tehtävänä on selvittää mitä mitattu signaali tarkoittaa eli minkälaisista ympäristöefekteistä se kertoo ja minkälainen ympäristö oikeasti on.

Tutkimuksen yleisenä tarkoituksena on selittää kokeellisia, osin vielä tulkitsemattomia, NMR-ilmiöitä. Tavoitteena on saavuttaa niistä atomitason kuvaus, joka huomioi elektronikorrelaation, suhteellisuusteorian ja lämpöliikkeen sekä ympäristön vaikutukset. Yleisen laskennallisen mielenkiinnon ja NMR-parametrien teorian kehittämisen lisäksi tästä on apua kokeelliselle NMR-tutkimukselle materiaalien ominaisuuksien määrittämisessä ja kehittämisessä.

Elektronin vauhti kiihtyy
ytimen lähellä


CSC:N mukaan tavallisissa kvanttikemiallisissa laskuissa atomin ydintä lähellä olevia sisäkuorten elektroneja voidaan kuvata karkeasti, koska mielenkiinnon kohteena ovat esimerkiksi atomien väliset reaktiot. Nämä, kuten monet muut molekyylien kemialliset ominaisuudet, määräytyvät pääosin valenssielektronien vuorovaikutuksista kaukana atomin ytimestä.

Kun ytimen massa kasvaa, elektronit saavuttavat ytimen lähellä hyvin suuria nopeuksia ja niiden riittävän tarkka kuvaus edellyttää suhteellisuusteoreettista käsittelyä. Valenssielektroneissa nämä relativistiset efektit alkavat näkyä kuitenkin vasta varsin raskailla alkuaineilla.

NMR-spektriparametrit sen sijaan riippuvat ytimen ja elektroniverhon vuorovaikutuksista, joissa hyvän valenssielektronikuvauksen lisäksi aivan ydintä lähellä olevan elektronisysteemin osan ominaisuudet ovat merkittävässä roolissa. Tämän vuoksi koko elektronisysteemin kuvaus pitää suorittaa hyvällä tasolla. Koska sisäkuorten elektronit liikkuvat varsin nopeasti jo suhteellisen keveidenkin ytimien lähellä, on ryhmän aiemmissa tutkimuksissa havaittu NMR-spektriparametrien relativistisia efektejä jo molekyyleille, joissa esiintyy ainoastaan ensimmäisen ja toisen rivin alkuaineita, kuten hiiltä ja rikkiä.

Ryhmässä kehitetty häiriöteoreettinen Breit-Pauli –malli (Breit-Pauli perturbation theory, BPPT) soveltuu raskaiden tai niiden lähellä olevien kevyiden ydinten NMR-varjostuksen relativististen ilmiöiden laskentaan. Tällä hetkellä ainoana teoriana sitä voidaan käyttää Hartree-Fock (HF) ja tiheysfunktionaaliteorian (DFT) lisäksi myös korreloitujen  aaltofunktioteorioiden (MP2, CC, jne.) yhteydessä, mikä mahdollistaa sekä suurten systeemien tutkimisen että pienten molekyylien tarkan benchmark-tasoisen mallinnuksen.

Isot systeemit vaativat
raskaita laskuja


Laskennan kohteina ovat raskaiden Xe-vakoilijatomien lisäksi varsinaisten kohteiden eli erilaisten nanorakenteiden NMR-parametrit. Molemmat laskennalliset lähestymistavat antavat yhdessä kokeellisen tutkimuksen kanssa monipuolista mikroskooppisista tietoa systeemien nanomittakaavan ominaisuuksista. Keveytensä vuoksi BPPT on esimerkki menetelmästä, joka DFT:hen yhdistettynä mahdollistaa tämän kokoluokan systeemien tutkimisen. BPPT:n toimivuutta raskaiden metalliydinten varjostuksen laskennassa verrataan parhaillaan huomattavasti raskaampaan, 4-komponenttista aaltofunktiota käyttävään, täysin relativistiseen teoriaan. Tutkimus kertoo toisaalta eri teorioiden käyttökelpoisuudesta sekä DFT-menetelmän soveltuvuudesta metalliatomeja sisältävien suurten systeemien NMR-laskentaan.

Molekyylien lämpöliike eli pyörimisen ja sisäisen värähdysliikkeen yhdistelmä muuttaa ytimien keskimääräisiä suhteellisia paikkoja. NMR-spektreissä nämä ns. rovibraatioefektit aiheuttavat merkittäviä lämpötilasta riippuvia muutoksia. Niiden tutkimiseksi projektissa tehdään - suurten systeemien lisäksi - laskuja myös pienille, raskaita ytimiä sisältäville molekyyleille, joissa erityisen mielenkiinnon kohteena ovat NMR-spektriparametrien relativististen ja rovibraatioefektien yhteisvaikutukset. Rovibraatiokäsittelyn tarvitsemien NMR-parametrien ja potentiaalienergian hyperpintojen laskeminen vaatii myös huomattavia laskentaresursseja.

Rovibraatioefektien lisäksi tutkimuksen kohteena ovat suuren mittakaavan liike- ja ympäristöefektit NMR-parametreihin. Näiden mallintamisessa kvanttimekaanista laskentaa yhdistetään systeemien dynamiikan ja statistiikan simulointiin ab initio- ja mallipotentiaaleilla käyttäen esim. CP2K, Turbomole, ja Gromacs –koodeja.  Erityisen mielenkiinnon kohteina ovat ydinten dynamiikasta riippuvat, kokeellisesti havaittavat ns. NMR-relaksaatiomekanismit.

Suurten systeemien elektronirakennelaskut edellyttävät rinnakkaislaskentaa.  Tämä on mahdollista HF ja DFT-tasoilla useilla kvanttikemian ohjelmistoilla (Dalton, Dirac, Turbomole, Gaussian). Relativistisissa BPPT-laskuissa on voitu käyttää hyvin rinnakkaistuvaa Dalton-ohjelmistoa, mikä on mahdollistanut ennennäkemättömän suurten NMR-varjostuslaskujen ajamisen Louhessa nanoputki- ja klatraattisysteemeille. Suurten rinnakkaislaskujen lisäksi monet korkean tason (esim. CC) aaltofunktiolaskut (Dalton, Turbomole, ACESII) vaativat paljon muistia ja kiintolevyä sekä pitkiä sarja- tai muutaman prosessorin rinnakkaisajoja.

Tutkimusryhmän NMR-laskenta vaatii huomattavia laskentaresursseja sekä CSC:llä että yliopistojen omissa pc-klustereissa. Tuloksia julkaistaan säännöllisesti parhaissa fysikaalisen kemian ja kemiallisen fysiikan kansainvälisissä sarjoissa.

Kommentit

    Näytä lisää

    Näitä luetaan!

    1. 1

      Trump tölväisi heti demokraattien uutta puheenjohtajaa – sai tymäkän vastauksen

    2. 2

      Auto törmäsi paraatiin New Orleansissa – ainakin 12 loukkaantunut

    3. 3

      Joel, 24, voitti melkoiset häärahat televisiossa – kisa katkesi huippukysymykseen

    4. 4

      Kuvat: Vähäpukeinen Salkkarit-kaunotar räväytti fetissihenkisenä – esiintyi sidottuna suorassa Putous-lähetyksessä

    5. 5

      Meksiko varoittaa nyt Yhdysvaltoja – aikoo vastata Trumpin muurihankkeeseen tullimaksuilla

    6. 6

      Väentungos aiheutti ikävän tilanteen MM-Lahden iltakisoissa – osa katsojista sai pahoinvointikohtauksia eikä päässyt katsomoon

    7. 7

      4 eri mitoilla varustettua miestä avautuu seksielämästään: ”Teen parhaani sillä, mitä minulla on”

    8. 8

      Putous-yllätys raivostutti suosikkihahmojaan äänestäneen somekansan – kukaan ei pudonnutkaan: ”Haiskahtaa epäilyttävältä”

    9. 9

      Lahden MM-ruuhkaan juuttunut Satu, 43, pettyi – istui kisajärjestäjien bussissa, kun Krista hiihti hopeaa: ”Kokemus olisi ollut antoisampi kotisohvalta”

    10. 10

      91-vuotiaan miehen jääkaapista löytyi sodanaikaisia kranaatteja – poliisi tyhjensi vanhainkodin

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Sipoolaisen perheenäidin automatka katkesi karulla tavalla Vantaalle – kuului ”järjetön pamaus”

    2. 2

      Muistatko suomalaisen Pets-duon kohublondit? Katosivat julkisuudesta ja muuttivat elämänsä suunnan täysin – tältä Tiina ja Sini näyttävät nyt

    3. 3

      Lestadiolaisperheessä kasvanut Johannes, 41, kertoo perheväkivallasta – isä rankaisi tv:n katsomisesta kumiletkulla

    4. 4

      MTV:n 24-vuotias teiniäiti odottaa jo kolmatta lastaan – lapsen isä mysteeri, ex-mies julkaisi tylyn viestin

    5. 5

      Cheek teki sukupaljastuksen – Wikipedia-sivu meni välittömästi uusiksi

    6. 6

      Janne Ahonen, 39, koki jotakin ainutkertaista ilmalentonsa aikana

    7. 7

      Rannalle ajautui outo ”karvamöykky” Filippiineillä – villit spekulaatiot alkuperästä alkoivat välittömästi

    8. 8

      Olli Lindholm löysi Vain elämää -ohjelmasta yllättävän ystävän: ”Michael Monroe sanoi, että pyöri sen seurassa”

    9. 9

      Pariskunta putosi jäihin Espoossa: Sukeltajat etsivät turhaan yli tunnin – sitten tuli helpottava tieto

    10. 10

      Tarkista ja kuuntele: Mikä oli Suomen listaykkösenä, kun sinä synnyit?

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Julkkiksilta sataa tukea rumaksi haukutulle Maria Veitolalle – Rakel Liekiltä tyhjentävä kommentti

    2. 2

      Helsinkiläinen Nina, 44, avautuu isäpuolen järkyttävistä teoista: ”Äiti katseli vierestä, mutta ei koskaan puuttunut”

    3. 3

      Kummisetä antoi 10-vuotiaalle tyttärelle lahjarahaa – Kela rokotti koko perheeltä 341,52 euroa/kk

    4. 4

      Traaginen onnettomuus Helsingissä – työkoneen kauha osui kävelijään, nainen kuoli vammoihinsa

    5. 5

      Stubb opetti Trumpille faktoja Ruotsista – viesti sytytti kiivaan keskustelun

    6. 6

      Tarkista ja kuuntele: Mikä oli Suomen listaykkösenä, kun sinä synnyit?

    7. 7

      Yleinen virhe wc-pöntöllä: Tästä syystä pyttyyn jää helposti ”jarrutusjäljet”

    8. 8

      Anu Saagim haukkui Maria Veitolaa rumaksi suorassa lähetyksessä – Veitola harmistui studioyleisön reaktiosta: ”Yleisö nauraa ja taputtaa”

    9. 9

      Nokialla pahoinpidelty 17-vuotias tyttö on kuollut

    10. 10

      Donald Trumpilta outo viittaus Ruotsiin: ”Katsokaa, mitä tapahtui eilen illalla Ruotsissa – kuka olisi uskonut?”

    11. Näytä lisää

    Näitä luetaan!

    1. 1

      Trump tölväisi heti demokraattien uutta puheenjohtajaa – sai tymäkän vastauksen

    2. 2

      Auto törmäsi paraatiin New Orleansissa – ainakin 12 loukkaantunut

    3. 3

      Joel, 24, voitti melkoiset häärahat televisiossa – kisa katkesi huippukysymykseen

    4. 4

      Kuvat: Vähäpukeinen Salkkarit-kaunotar räväytti fetissihenkisenä – esiintyi sidottuna suorassa Putous-lähetyksessä

    5. 5

      Meksiko varoittaa nyt Yhdysvaltoja – aikoo vastata Trumpin muurihankkeeseen tullimaksuilla

    6. Näytä lisää
    1. 1

      Sipoolaisen perheenäidin automatka katkesi karulla tavalla Vantaalle – kuului ”järjetön pamaus”

    2. 2

      Muistatko suomalaisen Pets-duon kohublondit? Katosivat julkisuudesta ja muuttivat elämänsä suunnan täysin – tältä Tiina ja Sini näyttävät nyt

    3. 3

      Lestadiolaisperheessä kasvanut Johannes, 41, kertoo perheväkivallasta – isä rankaisi tv:n katsomisesta kumiletkulla

    4. 4

      MTV:n 24-vuotias teiniäiti odottaa jo kolmatta lastaan – lapsen isä mysteeri, ex-mies julkaisi tylyn viestin

    5. 5

      Cheek teki sukupaljastuksen – Wikipedia-sivu meni välittömästi uusiksi

    6. Näytä lisää
    1. 1

      Julkkiksilta sataa tukea rumaksi haukutulle Maria Veitolalle – Rakel Liekiltä tyhjentävä kommentti

    2. 2

      Helsinkiläinen Nina, 44, avautuu isäpuolen järkyttävistä teoista: ”Äiti katseli vierestä, mutta ei koskaan puuttunut”

    3. 3

      Kummisetä antoi 10-vuotiaalle tyttärelle lahjarahaa – Kela rokotti koko perheeltä 341,52 euroa/kk

    4. 4

      Traaginen onnettomuus Helsingissä – työkoneen kauha osui kävelijään, nainen kuoli vammoihinsa

    5. 5

      Stubb opetti Trumpille faktoja Ruotsista – viesti sytytti kiivaan keskustelun

    6. Näytä lisää