Nanomateriaalien piilomaailman paljastaminen

Nanohiukkasten tutkimus on edennyt nopeasti 2000-luvulta lähtien. Useimmat tähän mennessä tehdyt tutkimukset ovat kuitenkin keskittyneet viisi nanometriä tai suurempiin hiukkasiin. Tätä taustaa vasten viime vuosina on kiinnitetty yhä enemmän huomiota atomiklustereihin – noin 1 nanometrin kokoisiin rakenteisiin, jotka koostuvat useista muutamiin tusinoihin atomeihin.

Lehtori Takamasa Tsukamoto Tokion yliopiston teollisuustieteiden instituutista on kehittänyt uraauurtavan menetelmäm näiden hyödyntämätöntä potentiaalia sisältävien atomiklustereiden syntetisoimiseksi.

Samalla hän työskentelee myös tunnistaakseen atomiklustereiden jaksollisuuden ja syventääkseen niiden perustavanlaatuista luonnetta.

Tokion yliopiston Possible Future –nettijulkaisussa https://magazine.iis.u-tokyo.ac.jp/en/ Tsukamoton selvittää, mitä on löydetty ja mitä uusia mahdollisuuksia on edessä.

Mitä ovat atomiklusterit, joiden ominaisuudet muuttuvat, kun yksi atomi lisätään tai vähennetään?

Termi nanopartikkeli viittaa yleensä hiukkasiin, joiden koko on 10-100 nanometriä. Atomiklusterit ovat vielä pienempiä, kooltaan noin 1 nanometri ja koostuvat useista useista kymmeniin atomeihin.

Aihetta vuosia tutkinut lehtori Tsukamoto sanoi: ”Klusterien äärimmäisen pienen koon ja kvanttimekaniikan – eli kvanttikokovaikutuksen – voimakkaan vaikutuksen vuoksi jopa yhden atomin lisääminen tai vähentäminen voi johtaa klustereihin, joissa on täysin erilaisia ominaisuuksia.

Esimerkiksi 13 ja 14 metalliatomien klusterilla on täysin erilaiset atomien järjestelyt, muodot ja sisäiset elektronitilat. Tämä tarkoittaa, että on mahdollista luoda huomattavan erilaisia ominaisuuksia muuttamalla tekijöitä, kuten atomien lukumäärää, alkuaineen tyyppiä, atomijärjestelyä ja kolmiulotteista rakennetta.

Mallin synteesimenetelmä, monipuolinen lähestymistapa atomiklusterisynteesiin

Klusterien syntetisointi on kuitenkin haastavaa, koska ei ole olemassa monipuolista menetelmää klustereiden luomiseen, joka antaisi täydellisen hallinnan alkuaineen tyypin, atomien lukumäärän ja kolmiulotteisen rakenteen suhteen. Siksi tämän alan tutkimus on pysähtynyt.

Tsukamoto pysyi kuitenkin omistautuneena ratkaisun löytämiseen, mikä johti uraauurtavan uuden menetelmän – mallin synteesimenetelmän – kehittämiseen.

"Yksinkertaisesti sanottuna tässä menetelmässä luodaan kapselin muotoisia makromolekyylejä (orgaanisia molekyylejä) käytettäviksi malleina klustereiden syntetisoinnissa. Ensin luodaan orgaanisia molekyylikapseleita, jotka on suunniteltu vangitsemaan haluttu määrä metalli-ioneja haluttuihin paikkoihin, ja sitten metalli-ionit sulkeutuvat näiden sisään. Sen jälkeen on mahdollista muuttaa ne syntetisoimalla nämä klusterit metalliryhmiksi."

Tällä menetelmällä Tsukamoto on itse asiassa onnistunut syntetisoimaan yhdestä elementistä koostuvia klustereita kaikille jaksollisen taulukon ryhmien 3–16 metalleille.

Hän huomautti, että oli haastavaa tunnistaa optimaaliset olosuhteet (kuten lämpötila) metalli-ionien kapseloimiseksi kullekin elementille. Hän kuitenkin osoitti, että kun olosuhteet ovat oikeat, tällä menetelmällä voidaan luoda klustereita monenlaisille metalleille.

Samaan aikaan syntetisoitujen klustereiden toimintojen ja ominaisuuksien tutkiminen paljasti useita ominaisuuksia, mukaan lukien jotkin valoa säteilevät ja toiset, jotka toimivat katalyytteinä.

Tämä sai Tsukamoton tutkimaan, voisiko hän teoreettisesti selvittää, kuinka näiden klustereiden toiminnot ja ominaisuudet liittyvät tekijöihin, kuten alkuaineen tyyppiin, atomien lukumäärään ja kolmiulotteiseen rakenteeseen.

Pienetkin erot atomien lukumäärässä tai kolmiulotteisessa rakenteessa voivat muuttaa klustereiden ominaisuuksia, ja jos näiden muutosten taustalla oleva säännöllisyys voidaan ymmärtää, voi olla mahdollista suunnitella ja syntetisoida klustereita, joilla on tarkasti räätälöidyt ominaisuudet.

Klusterien syntetisointikokeiden välillä hän aloitti myös tutkimuksen paljastaakseen taustalla olevat teoreettiset periaatteet. Vaikka hän alun perin aloitti tämän tutkimuksen puoliksi huvikseen ilmaisena tutkimusprojektina, jota hän työskenteli taukojen aikana, hän havaitsi usean vuoden tutkiskelun aikana toistuvan säännöllisyyden – tai jaksollisuuden – klustereiden geometristen rakenteiden ja niiden toimintojen ja ominaisuuksien välillä.

Nanomateriaalien jaksollisen taulukon rakentaminen klusterien luokittelua varten

Ensimmäinen askel, jonka Tsukamoto otti teoreettisessa tutkimuksessaan, oli tarkastella uudelleen yleistä klusterimallia.

"Vuonna 1995 ehdotettua Jellium-mallia on käytetty laajalti klustereiden ymmärtämisen viitekehyksenä. Tämä lähestymistapa ei kuitenkaan pysty selittämään, miksi tietyt klusterit voivat olla olemassa vakaasti."

Tsukamoto sovelsi sekä ryhmäteoriaa että kidekenttäteoriaa kehittääkseen mallin, joka ottaa huomioon klustereiden todellisen muodon (mukaan lukien muunnelmat, kuten säännölliset tetraedrit, säännölliset oktaedrit ja säännölliset ikosaedrit).

Sitten hän käytti tietokonesimulaatioita elektronien kiertoradan jakauman laskemiseen, ja prosessissa hän havaitsi, että jokaisella muodolla on erillinen elektronien järjestelykuvio. Hänen tulokset osoittivat, että tämä uusi malli voisi selittää tapauksia, joita Jellium-malli ei pystynyt.

Todettiin, että tämä uusi malli, joka on nimetty symmetria-adapted orbitaalimalliksi, mahdollistaa klusterin toimintojen ja ominaisuuksien ennustamisen tekijöiden, kuten atomien lukumäärän ja tyypin sekä klusterin muodon perusteella.

Tsukamoto kehitti sitten nanomateriaalista koostuvan jaksollisen taulukon (superjaksollisen taulukon), jota voidaan käyttää klustereiden luokittelemiseen ja etsimiseen samalla tavalla kuin tavallista alkuaineiden jaksollista taulukkoa käytetään.

Perinteisten ryhmä- ja jaksoakselien lisäksi tämä jaksollinen klusteritaulukko sisältää perheen ja lajien akselit. Nämä neljä akselia mahdollistavat klusterien erottamisen atomien, elektronien lukumäärän ja alkuaineen tyypin perusteella, mikä puolestaan mahdollistaa klusterin toimintojen ja ominaisuuksien ennustamisen sen sijainnin perusteella taulukossa. Tämän uuden luokitusindeksin seuraaminen helpottaa keskustelua yhdistämällä eri tunnetut klusterimateriaalit yhdeksi taulukoksi, ja nyt on mahdollista ennustaa etukäteen, kuinka monta atomia mistä alkioista ja missä suhteissa tarvitaan tiettyjä funktioita sisältävien klustereiden luomiseen. Kuva: Lehtori Tsukamoto Takamasa

"Tällä jaksollisella taulukolla on teoriassa mahdollista ennustaa – esimerkiksi –, että jopa ei-magneettiset elementit, kuten hopea ja alumiini, osoittaisivat magnetismia, jos tietty määrä atomeja kootaan tietyn muotoiseksi klusteriksi.

Se, voidaanko niitä todella luoda vai ei, on toinen asia, mutta tämän jaksollisen taulukon käyttäminen oppaana mahdollistaa tällaisten materiaalien kehittämisen uudenlaisen tulevaisuuden haasteen kuten superkevyet magneetit alumiinista."

Uusia jännittäviä kehitysnäkymiä

Toisena tämän jaksollisen taulukon mahdollisena sovelluksena Tsukamoto kuvittelee pystyvänsä joskus tunnistamaan korkeamman asteen molekyylejä, jotka koostuvat klustereista, joita voitaisiin pitää korkeamman asteen alkuaineina.

Teoreettisen tutkimuksensa kautta Tsukamoto ennusti myös täysin uuden materiaaliluokan olemassaolon, joka tunnetaan superdegeneroituneina nanomateriaaleina ja joilla on suurempi symmetria-aste kuin palloilla. Hän paljasti lisäksi, että tämän materiaaliryhmän taustalla olevat edistyneet symmetriat liittyvät alkeishiukkasfysiikassa ja vastaavissa aloissa käytettyyn matematiikkaan.

Tsukamoton tutkimus vihjaa uuden, tuntemattoman aineen valtakunnan mahdollisuuteen. Pystymmekö jatkamaan uusien ovien avaamista, joita kohtaamme tällä uudella rajalla?

"Tämä tutkimus on paljastanut peräkkäin ilmiöitä, joita oppikirjat näkivät mahdottomaksi. Tavallisesti perustamme opiskelun ja tutkimuksen olettamukselle, että oppikirjat ovat oikein.

Tämä tutkimus on kuitenkin osoittanut, että näin ei aina ole. Olen sitoutunut kehittämään tätä tutkimusta entisestään - joksikin, joka tuo oppikirjoihin uusia sivuja."

Huhtikuu 2025