Digitoday

Valikko

Ksenon-vakoilija-atomi tuo uutta tietoa materiaaleista

Julkaistu:

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

      Kuva: Voiko tämän suomalaisempaa näkyä enää olla – taivas piiskasi rakeita, mutta tuoppi oli saatava

    2. 2

      Elina Tervo tahtoi hemmotella miehiä Instagramissa – kuvakulma korostaa kurveja: ”Koska 83 prosenttia seuraajistani on miehiä”

    3. 3

      Sulatejuustokiista! Ratsastaako Lidl tunnetun tuotemerkin maineella?

    4. 4

      Roope Salminen yllätti yleisön täysin kesken keikan – upea kunnianosoitus kuolleelle laulajalle: ”Päätimme, että on pakko tehdä jotain”

    5. 5

      Soitettiinko sinulle +358521... -numerosta? Puhelut aiheuttaneet vastaajille ahdistusta ja pelkoa – poliisi: ”Paras olla vastaamatta”

    6. 6

      Suurhaukia kalastava ”haukimafia” piinaa Norjaa – valvova viranomainen IS:lle: ”Hauki ei kuulu tämän alueen luontoon”

    7. 7

      Olympiavoittaja tyrmää Kalevan kisojen 1500 metrin miesjuoksijat – ”Hyi hävetkää”

    8. 8

      Yksinhuoltajaäiti Maria arvasi, että juttu hänen tuloistaan herättää kritiikkiä – avaa nyt, mistä summat koostuvat

    9. 9

      Markukselle annettiin vain pieni mahdollisuus selvitä leikkauksesta hengissä: ”Pyysin lääkäriä tekemään parhaansa, koska kotona odottavat vaimo ja tyttäret”

    10. 10

      Oletko vanhus nuoressa ruumiissa? 24 paljastavaa merkkiä

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Trumpilta käsittämätön väite Japanin pääministerin vaimosta

    2. 2

      Katso: Tulipunainen hellemassa jysähtää pian jopa koko Suomeen – Ilmatieteen laitoksen video näyttää, millainen helle voi alkaa!

    3. 3

      Teemu Selänteen pojat katsoivat ilmaiseksi keikkaa isänsä luksusjahdilta – lavalla esiintyneeltä Reino Nordinilta osuva kuitti aiheesta

    4. 4

      TMZ: Linkin Parkin solisti Chester Bennington, 41, on kuollut

    5. 5

      Palkittu toimittaja raiskasi väkivalloin ravintolaillan päätteeksi

    6. 6

      Venäläisryhmä puhkesi uskaliaaseen lauluun Niiralan raja-asemalla – videosta tuli nettihitti itänaapurissa

    7. 7

      Katso, kuinka arvokas kesämökkisi voi olla – kuntalista kertoo hinnat eri puolilla Suomea

    8. 8

      Anna Abreu lomailee Los Angelesissa – helteinen bikinikuva villitsee Instagramissa: ”Lisää näitä, kaunis Anna!”

    9. 9

      Instagram sensuroi Emilian, 25, rohkean bikinikuvan – kahden lapsen äiti pöyristyi: ”Kun muodokkaampi nainen laittaa kuvan, se poistetaan”

    10. 10

      Markukselle annettiin vain pieni mahdollisuus selvitä leikkauksesta hengissä: ”Pyysin lääkäriä tekemään parhaansa, koska kotona odottavat vaimo ja tyttäret”

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Hanna menetti miehensä äkillisesti – Kimmosta jäi jälkeen vain hoitajan ojentama muovipussi

    2. 2

      Saara ja Esa panivat seksielämänsä kuntoon kahdessa viikossa: ”Miksi emme kokeilleet tätä aiemmin?”

    3. 3

      Harrastatko sinäkin ”Pirkka-seksiä”? 7 syytä, miksi se on tajuttoman upeaa

    4. 4

      Äiti ja isä löytyivät surmattuina – alkoi selvitä, että tytöille oli ehkä tapahtunut jotain vielä karmivampaa

    5. 5

      Teemu Selänteen pojat katsoivat ilmaiseksi keikkaa isänsä luksusjahdilta – lavalla esiintyneeltä Reino Nordinilta osuva kuitti aiheesta

    6. 6

      Venäläisturisteja virtaa Suomeen yllättävästä syystä – näitä hamstrataan nyt kaupoista

    7. 7

      Synkkä juhlailta Salossa – morsian joutui soittamaan poliisin omiin häihinsä

    8. 8

      Sabina Särkkä narahti uimapukukuvansa muokkaamisesta – kihlatun julkaisu paljasti totuuden: huomaatko eron?

    9. 9

      Nuori nainen lähetti avoimen sairauslomaviestin – pomon reaktio sai itkemään

    10. 10

      TMZ: Linkin Parkin solisti Chester Bennington, 41, on kuollut

    11. Näytä lisää
    Näitä luetaan!
    1. 1

      Kuva: Voiko tämän suomalaisempaa näkyä enää olla – taivas piiskasi rakeita, mutta tuoppi oli saatava

    2. 2

      Elina Tervo tahtoi hemmotella miehiä Instagramissa – kuvakulma korostaa kurveja: ”Koska 83 prosenttia seuraajistani on miehiä”

    3. 3

      Sulatejuustokiista! Ratsastaako Lidl tunnetun tuotemerkin maineella?

    4. 4

      Roope Salminen yllätti yleisön täysin kesken keikan – upea kunnianosoitus kuolleelle laulajalle: ”Päätimme, että on pakko tehdä jotain”

    5. 5

      Soitettiinko sinulle +358521... -numerosta? Puhelut aiheuttaneet vastaajille ahdistusta ja pelkoa – poliisi: ”Paras olla vastaamatta”

    6. Näytä lisää
    1. 1

      Trumpilta käsittämätön väite Japanin pääministerin vaimosta

    2. 2

      Katso: Tulipunainen hellemassa jysähtää pian jopa koko Suomeen – Ilmatieteen laitoksen video näyttää, millainen helle voi alkaa!

    3. 3

      Teemu Selänteen pojat katsoivat ilmaiseksi keikkaa isänsä luksusjahdilta – lavalla esiintyneeltä Reino Nordinilta osuva kuitti aiheesta

    4. 4

      TMZ: Linkin Parkin solisti Chester Bennington, 41, on kuollut

    5. 5

      Palkittu toimittaja raiskasi väkivalloin ravintolaillan päätteeksi

    6. Näytä lisää
    1. 1

      Hanna menetti miehensä äkillisesti – Kimmosta jäi jälkeen vain hoitajan ojentama muovipussi

    2. 2

      Saara ja Esa panivat seksielämänsä kuntoon kahdessa viikossa: ”Miksi emme kokeilleet tätä aiemmin?”

    3. 3

      Harrastatko sinäkin ”Pirkka-seksiä”? 7 syytä, miksi se on tajuttoman upeaa

    4. 4

      Äiti ja isä löytyivät surmattuina – alkoi selvitä, että tytöille oli ehkä tapahtunut jotain vielä karmivampaa

    5. 5

      Teemu Selänteen pojat katsoivat ilmaiseksi keikkaa isänsä luksusjahdilta – lavalla esiintyneeltä Reino Nordinilta osuva kuitti aiheesta

    6. Näytä lisää