Digitoday

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.
MAINOS (TEKSTI JATKUU ALLA)
MAINOS PÄÄTTYY

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

      Uusi feministinen Instagram-ilmiö leviää: naiset levittelevät haarojaan kuvissa – myös Maria Veitola osallistui

    2. 2

      Jarno tallensi videolle harvinaisen näyn – sudet tulivat todella lähelle: ”Eivät tuntuneet häiriintyvän, vaikka pistin pääni ulos kopista ja rääkäisin”

    3. 3

      Juice Leskisen kuolemasta 11 vuotta: Tampereella käynnistyi keskustelu hautakiven kunnosta – Sari-leski kertoo nyt IS:lle mielipiteensä

    4. 4

      Lontoon pakokauhun yksityiskohdat tarkentuivat: poliisi etsii kahta miestä tapahtumiin liittyen

    5. 5

      Sinkku Maria, 34, kävi lupaavilla Tinder-treffeillä – fiilis muuttui hetkessä ravintolasta lähtiessä

    6. 6

      Älä ikinä sano näitä lapselle – 8 haitallista lausetta, jotka lipsahtavat suusta liian helposti

    7. 7

      Lidlin uusi ”vesirajamekko” pian kauppoihin – paljettiunelma peittää pepun juuri ja juuri

    8. 8

      Aamulypsyn Jaajo Linnonmaa joutui kohun keskelle – näin juontaja itse kommentoi tilannetta

    9. 9

      Jere Lehtisen pelinumero jäädytettiin Dallasissa – ”Täydellinen ammattilainen”

    10. 10

      Juhana, 30, yllättyi: Avasi puhelimen, sisältä paljastui muuta mitä piti – huomaisitko eroa?

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Sinkku Maria, 34, kävi lupaavilla Tinder-treffeillä – fiilis muuttui hetkessä ravintolasta lähtiessä

    2. 2

      Aamulypsyn Jaajo Linnonmaa joutui kohun keskelle – näin juontaja itse kommentoi tilannetta

    3. 3

      Janne Ahosen yllätysratkaisu: Mico-poika sai lopettaa koulun 15-vuotiaana – ”Vaimo oli aluksi hieman kriittinen”

    4. 4

      Urheilijatähti väittää tulleensa raiskatuksi Helsingissä – Patrik Sjöberg raivostui asian käsittelystä: ”Kesti puoli tuntia selvittää tekijä”

    5. 5

      Juhana, 30, yllättyi: Avasi puhelimen, sisältä paljastui muuta mitä piti – huomaisitko eroa?

    6. 6

      Kuvat: Tiffany Trump, 24, kohautti lyhyellä hameella – sisarukset edustivat yhdessä harvinaisesti

    7. 7

      Fanit surevat tangoprinssi Dimitri Sjöbergin varhaista poismenoa – ”Ääni oli sulaa kultaa”

    8. 8

      Poliisilta lisätietoa Juuan kuolonkolarista: ”Rekka tuli valitettavasti juuri silloin vastaan”

    9. 9

      Vladimir Putinin viesti Venäjän aseteollisuudelle: Valmistautukaa sotaan

    10. 10

      Korhonen, Virtanen, Mäkinen, Nieminen... Katso, kuinka äveriäitä sukunimikaimasi todellisuudessa ovat

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Rouvan alaston yövieras tuli isäntää vastaan kotipihalla – se letkautus naulautui taksikuskin mieleen pysyvästi

    2. 2

      Raskasta joulua -konsertti osoittautui raskaaksi pettymykseksi Oulussa – kuulijat raivoissaan: ”Nyt on rahastuksen makua!”

    3. 3

      Katso, kuinka monella suomalaisella on sama sukunimi kuin sinulla

    4. 4

      Aku Hirviniemi sai keskellä yötä viestin ex-puolisoltaan Niina Lahtiselta – ”Alkaako vanha suola janottaa?”

    5. 5

      Kuvassa näkyvän pysähtyneen henkilöauton kuljettaja, soita heti poliisille

    6. 6

      Elina, 33, muutti Oulusta Italiaan ja huomasi ison eron työmoraalissa: ”Suomessa se on juuri toisin päin”

    7. 7

      10 asiaa, jotka tapahtuvat, kun lakkaat syömästä leipää

    8. 8

      Lentokone lähti rajuun nousuun kesken laskeutumisen Helsinki-Vantaalle – matkustajat hämmästyivät

    9. 9

      Kenen Suomi-julkkiksen kanssa olet samanpituinen? Tarkista yli 150 nimen listasta

    10. 10

      Turkkilaisnaisen, 71, uskomattoman nuorekas ulkonäkö lyö ällikällä – kauneuden salaisuus kebab

    11. Näytä lisää
    Näitä luetaan!
    1. 1

      Uusi feministinen Instagram-ilmiö leviää: naiset levittelevät haarojaan kuvissa – myös Maria Veitola osallistui

    2. 2

      Jarno tallensi videolle harvinaisen näyn – sudet tulivat todella lähelle: ”Eivät tuntuneet häiriintyvän, vaikka pistin pääni ulos kopista ja rääkäisin”

    3. 3

      Juice Leskisen kuolemasta 11 vuotta: Tampereella käynnistyi keskustelu hautakiven kunnosta – Sari-leski kertoo nyt IS:lle mielipiteensä

    4. 4

      Lontoon pakokauhun yksityiskohdat tarkentuivat: poliisi etsii kahta miestä tapahtumiin liittyen

    5. 5

      Sinkku Maria, 34, kävi lupaavilla Tinder-treffeillä – fiilis muuttui hetkessä ravintolasta lähtiessä

    6. Näytä lisää
    1. 1

      Sinkku Maria, 34, kävi lupaavilla Tinder-treffeillä – fiilis muuttui hetkessä ravintolasta lähtiessä

    2. 2

      Aamulypsyn Jaajo Linnonmaa joutui kohun keskelle – näin juontaja itse kommentoi tilannetta

    3. 3

      Janne Ahosen yllätysratkaisu: Mico-poika sai lopettaa koulun 15-vuotiaana – ”Vaimo oli aluksi hieman kriittinen”

    4. 4

      Urheilijatähti väittää tulleensa raiskatuksi Helsingissä – Patrik Sjöberg raivostui asian käsittelystä: ”Kesti puoli tuntia selvittää tekijä”

    5. 5

      Juhana, 30, yllättyi: Avasi puhelimen, sisältä paljastui muuta mitä piti – huomaisitko eroa?

    6. Näytä lisää
    1. 1

      Rouvan alaston yövieras tuli isäntää vastaan kotipihalla – se letkautus naulautui taksikuskin mieleen pysyvästi

    2. 2

      Raskasta joulua -konsertti osoittautui raskaaksi pettymykseksi Oulussa – kuulijat raivoissaan: ”Nyt on rahastuksen makua!”

    3. 3

      Katso, kuinka monella suomalaisella on sama sukunimi kuin sinulla

    4. 4

      Aku Hirviniemi sai keskellä yötä viestin ex-puolisoltaan Niina Lahtiselta – ”Alkaako vanha suola janottaa?”

    5. 5

      Kuvassa näkyvän pysähtyneen henkilöauton kuljettaja, soita heti poliisille

    6. Näytä lisää