Volgens klassiek elektromagnetisme ervaart een geladen deeltje dat beweegt in een extern magnetisch veld een kracht die het pad van het deeltje cirkelvormig maakt. Deze basiswet van de fysica wordt benut bij het ontwerpen van cyclotrons die werken als deeltjesversnellers. Wanneer metaaldeeltjes ter grootte van een nanometer in een magnetisch veld worden geplaatst, wekt het veld een circulerende elektronenstroom op in het deeltje. De circulerende stroom creëert op zijn beurt een intern magnetisch veld dat het externe veld tegenwerkt. Dit fysieke effect wordt magnetische afscherming genoemd.
De sterkte van de afscherming kan worden onderzocht met behulp van nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie. De interne magnetische afscherming varieert sterk op atomaire lengteschaal, zelfs binnen een deeltje van nanometergrootte. Het begrijpen van deze variaties op atoomschaal is alleen mogelijk door gebruik te maken van kwantummechanische theorie van de elektronische eigenschappen van elk atoom dat het nanodeeltje maakt.
Nu heeft de onderzoeksgroep van professor Hannu Häkkinen aan de Universiteit van Jyväskylä, in samenwerking met de Universiteit van Guadalajara in Mexico, een methode ontwikkeld om de circulerende elektronenstromen in complexe 3D-nanostructuren te berekenen, visualiseren en analyseren. De methode werd toegepast op gouden nanodeeltjes met een diameter van slechts ongeveer één nanometer.
De berekeningen werpen licht op onverklaarde experimentele resultaten van eerdere NMR-metingen in de literatuur over hoe magnetische afscherming in het deeltje verandert wanneer een goudatoom wordt vervangen door een platina-atoom.
Een nieuwe kwantitatieve maatstaf om de aromaticiteit in metalen nanodeeltjes te karakteriseren, werd ook ontwikkeld op basis van de totale geïntegreerde sterkte van de afschermende elektronenstroom.
“Aromaticiteit van moleculen is een van de oudste concepten in de chemie, en het is traditioneel verbonden met ringachtige organische moleculen en met hun gedelokaliseerde valentie-elektronendichtheid die circulatiestromen kunnen ontwikkelen in een extern magnetisch veld. Echter, algemeen aanvaarde kwantitatieve criteria voor de mate van aromaticiteit ontbrak. Onze methode levert nu een nieuw hulpmiddel op om elektronenstromen te bestuderen en analyseren met de resolutie van één atoom in een nanostructuur, in principe. De peerreviewers van ons werk beschouwden dit als een belangrijke vooruitgang in het veld, “zegt professor Häkkinen die het onderzoek coördineerde.
Omar López-Estrada et al. Magnetisch geïnduceerde stromen en aromaticiteit in ligand-gestabiliseerde Au- en AuPt-superatomen, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-22715-x
Nature Communications
Geleverd door University of Jyväskylä