Alkali-halidi -klustereiden rakenteen kehittymisen tutkimus synkrotronisäteilyllä

Fysiikan alaan liittyvässä väitöstutkimuksessa osoitettiin, että vapaiden nanopartikkelien rakennetta voidaan tutkia niiden elektronirakenteen kautta käyttäen moderneja hiukkaskiihdytinpohjaisia valonlähteitä. Halkaisijaltaan millimetrin miljoonasosan kokoisten pienhiukkasten rakenteen havaittiin riippuvan nanopartikkelin koosta ja -koostumuksesta. Esitettyä menetelmää voidaan soveltaa esimerkiksi ilmakehän ultrapienten hiukkasten tutkimuksessa.

Nanopartikkelit ovat rakenteita, joiden ominaisuudet poikkeavat pienen kokonsa vuoksi materiaaleista arkipäiväisessä mittakaavassa. Mahdollisia sovelluskohteita nanopartikkeleille on löydetty elektroniikasta, kemianteollisuudesta ja lääketieteestä. Esimerkiksi lääketieteellisessä kuvantamisessa nanopartikkeleita on hyödynnetty muun muassa kontrastiaineena ja tutkimuksissa on havaittu, että partikkelien muoto ja koko vaikuttavat suuresti niiden paikallistumiseen tiettyihin elimiin.

Hyödyllisten ominaisuuksien lisäksi tiettyjen pienhiukkasten on havaittu olevan terveyden kannalta haitallisia. Ihmisperäisten lähteiden kuten liikenteen ja teollisuuden, mutta myös luonnonmullistusten kuten tulivuorenpurkausten yhteydessä vapautuvat pienhiukkaset vaikuttavat paitsi ihmisten terveyteen, myös ilmastoon.

Kaksiosaisessa työssä tutkittiin ensin neljästä eri suolasta muodostettujen nanopartikkelien rakennetta kokoluokassa 4–600 atomia per partikkeli. Toisessa osassa suolaa lisättiin noin sadasta vesimolekyylistä koostuviin nanopisaroihin ja rakennetta seurattiin suolan määrän funktiona. Tutkimusmenetelmänä sovellettiin valosähköiseen ilmiöön perustuvaa fotoelektronispektroskopiaa, jossa korkean energian omaava ultravioletti- tai röntgensäteily irrottaa kohteesta elektronin. Analysoimalla näytteestä irronneiden elektronien liike-energiaa saadaan tietoa muun muassa näytteen atomien sijainnista toistensa suhteen. Tutkimuksessa käytetty ultravioletti- ja röntgensäteily tuotettiin käyttäen Ruotsin Lundissa sijaitsevaa MAX IV -laboratorion hiukkaskiihdytintä.

Yhdellä neljästä suolasta havaittiin rakenteen muuttuminen toiseksi, kun nanopartikkelin koko ylitti 160 atomia. Tulos sopi yhteen aiemman teoreettisen ennusteen kanssa ja osoitti menetelmän sovellettavuuden. Suolavesipartikkeleiden tapauksessa suolan havaittiin pieninä määrinä liukenevan nanopisaroihin. Tämä on erikoista ottaen huomioon nanomittakaavan vesipartikkelin lämpötilan, jonka on tutkimuksissa päätelty olevan jopa alle -100°C. Tutkitun kaltaisia partikkeleita esiintyy esimerkiksi meren pinnasta vapautuvan aineksen takia ilmakehässä, jossa ne vaikuttavat pilvien muodostukseen.