Simulointi vahvisti: molekyylien tarkka kuvaaminen on mahdollista
Uudessa metallinanopartikkelien pintarakenteiden tutkimuksessa on todettu, että molekyyleillä päällystettyjen hopeananopartikkelien pintarakenteiden hyvin tarkka kuvaaminen pyyhkäisytunnelointi-mikroskopialla on mahdollista siten, että kuvista voidaan tunnistaa pintaa suojaavien molekyylien yksittäisiä osia. Suomessa kiinalais-suomalaista yhteistyötutkimusta johti akatemiaprofessori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta. Tutkimusryhmä on hyödyntänyt CSC:n ja Barcelonan superkonekeskuksen laskentaresursseja tutkimuksissaan. Barcelonassa tehdyt simuloinnit olivat PRACE-verkoston (Partnership for Advanced Computing in Europe) tukemia.
Metallinanopartikkelien pintarakenteiden tutkimus yksittäisten molekyylien tasolla on tärkeää, jotta rakenteiden kemiallisia ominaisuuksia, molekyylien välisiä vuorovaikutuksia ja partikkelien toiminnallisuutta ympäristönsä kanssa voidaan ymmärtää paremmin. Vastaavanlaisia menetelmiä voidaan jatkossa käyttää esimerkiksi katalyyttien pintarakenteen tutkimisessa. Katalyyteistä saatava pintarakenteiden informaatio auttaa ymmärtämään niiden toimintaa ja siten mahdollisesti kehittämään vielä tehokkaampia katalyyttejä.
Kuva: Hannu Häkkinen
Kuvantamisessa käytettiin aiemmin karakterisoituja hopeananopartikkeleja, joiden atomintarkka rakenne on tunnettu. Partikkelien metalliytimessä on 374 hopea-atomia ja pintaa suojaa 113 TBBT-molekyyliä. Tert-butyyli-bentseeni-tioli- eli TBBT-molekyylin päässä on kolme erillistä hiiliryhmää. Partikkelin ulkopinnalla on yhteensä 339 tällaista ryhmää. Kun nanopartikkelinäytettä kuvattiin pyyhkäisytunnelointi-mikroskopia (scanning tunneling microscopy, STM) -kokeessa alhaisissa lämpötiloissa, huomattiin kuvan muodostamassa tunnelointivirrassa selviä jaksollisia modulaatioita. Samanlaisia modulaatioita huomattiin myös yksittäisiä TBBT-molekyylejä tasopinnalla kuvattaessa.
Tutkimuksessa on ollut pyrkimyksenä nähdä, miten yksityiskohtaiseen tarkkuuteen monimutkaisen nanopartikkelin pintarakenteen kuvaamisessa voidaan päästä. Tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvissa simulaatioissa kävi ilmi, että jokainen TBBT-molekyylin kolmesta hiiliryhmästä antaa oman virtamaksiminsa STM-kuvaan ja myös maksimien välimatkat vastasivat STM-mittauksen tuloksia. Tulokset osoittavat, että mittauksessa päästiin peräti molekyylin yksittäisen osan tarkkuuteen.
– CSC:n ja Barcelonan keskuksen tarjoamat superlaskentaresurssit olivat tietysti aivan kriittisiä tutkimuksen onnistumisen kannalta. Tutkimamme nanopartikkeli oli elektronirakenteen mallituksen kannalta erityisen haastava, sillä se on tällä hetkellä suurin atomirakenteeltaan tarkasti tunnettu nanopartikkeli. Muodostaaksemme simuloituja STM-kuvia jouduimme käsittelemään noin 10 000 elektronin systeemiä. Simulaatiomme ovat todennäköisesti tällä hetkellä suurimpia mitä koskaan on tehty tiheysfunktionaaliteoriaa käyttäen, Häkkinen kertoo.
Tutkimus on julkaistu Nature Communication -verkkojulkaisussa.
Lue lisää:
Hannu Häkkinen kertoo aiemmasta tutkimuksestaan CSC:n asiakastarinasssa.
Artikkelin lähteenä on käytetty Suomen Akatemian tiedotetta "Nanopartikkelien pintarakenteiden erittäin tarkka kuvaaminen mahdollista" (julkaistu 2.8.2018, luettu 6.8.2018).