13.9.2019 Fyysikko löysi tietokonesimulaatioiden avulla hiilidioksidia pilkkovan kultamolekyylin rakenteen (Kaappa)

Klusterikemian tutkimuksessa kulta ja hopea ovat tärkeitä alkuaineita. Ne ovat kemiallisesti hyvin aktiivisia ja niitä voidaan hyödyntää monissa tulevaisuuden teknologioissa. Jyväskylän yliopistossa tarkistettavassa väitöstutkimuksessa Sami Kaappa onnistui laskemaan tietokonesimulaatioiden avulla 11 kulta-atomista koostuvan klusterin tarkan rakenteen. Se osoittautui rakenteeksi, jonka havaittiin nopeuttavan hiilidioksidin hajoamista hiilimonoksidiksi. Tulosta voidaan hyödyntää esimerkiksi katalyyttien kehitystyössä.
Julkaistu
13.9.2019

Kulta- ja hopeaklusterit voivat nopeuttaa erilaisia kemiallisia reaktioita. Sami Kaappa tutki teoreettisen fysiikan väitöskirjassaan nanomittakaavan kulta- ja hopeaklustereita. Ne ovat läpimitaltaan sadastuhannesosa hiuksen paksuudesta.
”Nanoklusterilla tarkoitetaan usein melko isoa molekyyliä, jossa on muutamasta tai muutamasta kymmenestä metalliatomista koostuva ydin, jota sitten suojaa erilaiset molekyylit eli ligandit niin, että rakenne ei hajoa liuottimessa. Tyypillisesti kulta- ja hopeaklustereissa suojaava kerros koostuu rikki- tai fosforiyhdisteistä”, Sami Kaappa kuvailee.

Väitöstutkimuksessa nanokokoisten hiukkasten ominaisuuksia selvitettiin supertietokoneiden avulla laskennallisilla menetelmillä eli simulaatioilla. Laskuissa käytettiin Kajaanissa sijaitsevaa Sisu-supertietokonetta ja Barcelonassa sijaitsevaa Mare Nostrum –supertietokonetta.

”Simulaatioiden avulla pystytään esimerkiksi ennustamaan mahdollisia kemiallisia rakenteita, vaikka kokeellisesti niistä olisi vain vähän tietoa”, Kaappa kertoo menetelmästä.

Tutkimus löysi klusterin, joka nopeuttaa hiilidioksidin hajoamista

Tutkimuksessa yksi merkittävimmistä löydöistä oli 11 kulta-atomista koostuvan klusterin rakenteen selvittäminen. Simulaatiot Sami Kaappa teki yhteistyössä Kanadassa ja Japanissa olevien kokeellisten tutkimusryhmien kanssa.

”Kokeellisessa tutkimuksessa havaittiin 11 kulta-atomista koostuva klusteri, jonka tarkkaa rakennetta ei onnistuttu määrittämään. Teoreettisia menetelmiä käyttäen pystyttiin kuitenkin simuloimaan eri vaihtoehtoja rakenteille, joista lopulta yksi erottui edukseen muiden joukosta. Tutkimuksen edetessä kokeellinen työ vahvisti lasketun rakenteen oikeaksi. Oli hieno hetki saada asian vahvistanut tieto Kanadasta”, Kaappa kertoo.

Klusteri osoittautui rakenteeksi, joka nopeuttaa hiilidioksidin hajoamista hiilimonoksidiksi.

”Klusterissa yksi fosforiligandi on vaihdettu uudentyyppiseen karbeeniligandiin. Havainto katalyyttisestä aktiivisuudesta voi edesauttaa esimerkiksi haitta-aineiden kierrätyksen ja katalysaattorien kaltaisten, uusien teknologioiden kehitystyötä. Myös teoreetikon silmin tämä on kiehtovaa, sillä hiilidioksidin hajoamisreaktiota ei vielä tunneta tarkasti. Työsarkaa siis riittää, Sami Kaappa sanoo.

Tutkimus on julkaistu Jyväskylän yliopiston väitöstutkimusten JYU Dissertation –sarjassa, 120, Jyväskylä, 2019. ISBN 978-951-39-7833-4 (PDF) URN: ISBN:978-951-39-7833-4 ISSN 2489-9003.
Linkki julkaisuun:

FM Sami Kaapan fysiikan väitöskirjan "Analysis and Applications of Electronic Structure in Gold and Silver Nanoclusters" tarkastustilaisuus on perjantaina 13. syyskuuta kello 12 Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella luentosalissa FYS1 (Ylistönrinne, Survontie 9). Vastaväittäjänä on apulaisprofessori Nicola Gaston Aucklandin yliopistosta Uudesta-Seelannista ja kustoksena on akatemiaprofessori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta. Väitöstilaisuuden kieli on englanti.

äپٴᲹ:
Sami Kaappa, sami.j.kaappa@student.jyu.fi, puh. +358 50 5286722
Tiedottaja Tanja Heikkinen, tanja.s.heikkinen@jyu.fi, puh. +358 50 581 8351
Jyväskylän yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
/science/fi
Facebook: Twitter: Instagram: