04.05.2021 - University of Jyväskylä

Forscher analysierten zirkulierende Ströme im Inneren von Gold-Nanopartikeln

Eine neue Methode erleichtert die genaue Analyse von Magnetfeldeffekten innerhalb komplexer Nanostrukturen

Forscher des Nanoscience Center der Universität Jyvaskyla in Finnland und der Universität Guadalajara in Mexiko haben eine Methode entwickelt, die die Simulation und Visualisierung von magnetfeldinduzierten Elektronenströmen in Gold-Nanopartikeln ermöglicht. Die Methode erleichtert die genaue Analyse von Magnetfeldeffekten im Inneren komplexer Nanostrukturen bei kernmagnetischen Resonanzmessungen und legt quantitative Kriterien für die Aromatizität von Nanopartikeln fest.

Nach dem klassischen Elektromagnetismus erfährt ein geladenes Teilchen, das sich in einem äußeren Magnetfeld bewegt, eine Kraft, die die Bahn des Teilchens kreisförmig macht. Dieses physikalische Grundgesetz wird z. B. bei der Konstruktion von Zyklotrons, die als Teilchenbeschleuniger arbeiten, genutzt. Wenn nanometergroße Metallteilchen in ein Magnetfeld gebracht werden, induziert das Feld einen zirkulierenden Elektronenstrom im Inneren des Teilchens. Der zirkulierende Strom erzeugt wiederum ein inneres Magnetfeld, das dem äußeren Feld entgegenwirkt. Dieser physikalische Effekt wird als magnetische Abschirmung bezeichnet.

Die Stärke der Abschirmung kann mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie (NMR) untersucht werden. Die interne magnetische Abschirmung variiert selbst innerhalb eines nanometergroßen Teilchens stark auf einer atomaren Längenskala. Das Verständnis dieser Variationen auf atomarer Skala ist nur mit Hilfe der quantenmechanischen Theorie der elektronischen Eigenschaften jedes einzelnen Atoms, aus dem das Nanopartikel besteht, möglich.

Nun hat die Forschungsgruppe von Professor Hannu Häkkinen an der Universität Jyväskylä in Zusammenarbeit mit der Universität von Guadalajara in Mexiko eine Methode entwickelt, um die zirkulierenden Elektronenströme innerhalb komplexer 3D-Nanostrukturen zu berechnen, zu visualisieren und zu analysieren. Die Methode wurde auf Gold-Nanopartikel mit einem Durchmesser von nur etwa einem Nanometer angewandt. Die Berechnungen werfen Licht auf unerklärliche experimentelle Ergebnisse aus früheren NMR-Messungen in der Literatur, wie sich die magnetische Abschirmung im Inneren des Partikels ändert, wenn ein Goldatom durch ein Platinatom ersetzt wird.

Außerdem wurde ein neues quantitatives Maß zur Charakterisierung der Aromatizität im Inneren von Metall-Nanopartikeln entwickelt, das auf der gesamten integrierten Stärke des abschirmenden Elektronenstroms basiert.

"Aromatizität von Molekülen ist eines der ältesten Konzepte in der Chemie und wird traditionell mit ringförmigen organischen Molekülen und ihrer delokalisierten Valenzelektronendichte in Verbindung gebracht, die in einem externen Magnetfeld zirkulierende Ströme entwickeln können. Allerdings fehlten bisher allgemein akzeptierte quantitative Kriterien für den Grad der Aromatizität. Unsere Methode liefert nun ein neues Werkzeug, um Elektronenströme mit der Auflösung eines Atoms innerhalb einer beliebigen Nanostruktur prinzipiell zu untersuchen und zu analysieren. Die Gutachter unserer Arbeit betrachteten dies als einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet", sagt Professor Häkkinen, der die Forschung koordinierte.

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