NMR-spektroskopian tutkimusyksikkö

Laplace-NMR (LNMR) tarjoaa yksityiskohtaista tietoa systeemin dynaamisista ominaisuuksista, ja sillä on myös mahdollista erottaa toisistaan komponentit, jotka eivät erotu spektritiedon avulla. LNMR:n resoluutiota ja informaatiosisältöä voidaan kasvattaa merkittävästi moniulotteisilla menetelmillä. Pitkä mittausaika rajoittaa kuitenkin näiden menetelmien käyttöä. Tässä projektissa kehitämme uuden NMR-menetelmien luokan, ultranopean LNMR:n, joka lyhentää kokeen kestoa useilla kertaluvuilla ja sallii kokeen herkkyyden kasvattamisen useilla kertaluvuilla hyperpolaroitujen aineiden avulla.

Sovellamme tekniikkaa esimerkiksi sementtimateriaalien karakterisoinnissa, syöpäsolujen aineenvaihdunnan tutkimisessa ja ilmastonmuutokseen liittyvissä aerosolitutkimuksissa.

Laskennallinen spektroskopia on uusi alue teoreettisessa materiaali- ja molekyylitieteessä. Magneettisen resonanssispektroskopian piirissä sillä tarkoitetaan ensisijaisten havaintosuureiden, ajasta riippuvan magnetoituman signaalin ja/tai spektrin suoraa laskentaa. Perinteisessä menetelmässä kokeiden ja laskutulosten vertailu tehdään NMR-spektriparametrien tai relaksaatioaikojen tasolla, jotka nekin seuraavat koedatan tulkinnassa käytetystä teoreettisesta mallista. Toteutamme laskennallista spektroskopiaa monimittakaavasimulaatioilla, joissa yhdistetään materiaalin atomien liikkeen mallintaminen, spinien elektronisten vuorovaikutuksien laskenta hetkellisissä ydinten asemissa ja niistä seuraava elektronien ja ydinten spintiheysmatriisien aikakehitys. Lähestymistapa mahdollistaa modernin magneettisen resonanssispektroskopian relaksaatio- ja polarisaationsiirtoprosessien yksityiskohtaisen, mikroskooppisen tulkinnan ja menetelmäkehityksen

Kehitämme uusia kokeellisia ja laskennallisia NMR-menetelmiä ja sovellamme niitä kaasujen ja nesteiden sekä kiinteiden materiaalien tutkimuksessa. Laskennallinen mallinnus käsittää NMR-parametrien elektronirakennelaskuja molekyyleille sekä klusteri- ja periodisille malleille sekä niiden yhdistämistä Monte Carlo (MC) ja molekyylidynamiikan (MD) simulaatioihin lämpötila- ja ympäristöefektien huomioimiseksi. Materiaalien sisältämien raskaiden alkuaineiden vuoksi elektronirakennemallinnuksessa käytetään usein Einsteinin suppeamman suhteellisuusteorian huomioivia, ns. relativistisia menetelmiä. Tutkittavia materiaaleja ovat esimerkiksi ioniset nesteet, nestekiteet, huokoiset aineet, puu, ligniinit, nanoselluloosa, sementti, liuskekivi, geopolymeerit ja maaperän orgaaninen aine. Lisäksi tutkimme laajasti erilaisia dia- ja paramagneettisia molekyylimateriaaleja, kuten esimerkiksi harvinaisten maametallien (rare earth elements, REE) fosfaatteja, supramolekyyli-, klatraatti-, kryptofaani- ja fullereenihäkkimolekyylejä, grafeeneja ja hiilinanoputkia, sekä raskaita metalleja (esim. REE, Pt, Hg, Bi) sisältäviä materiaaleja kuten molekyylimagneetteja mahdollisiin spintroniikkasovelluksiin

Magneettiset resonanssimenetelmät, NMR-spektroskopia ja magneettikuvaus, tarjoavat monipuolisia työkaluja molekyylitason analyysiin, mikä mahdollistaa katalyyttisten prosessien edistyneen karakterisoinnin. Usein niiden alhainen herkkyys, joka johtuu pienistä signaalin amplitudista, asettaa merkittäviä rajoituksia. Kehitämme katalyyttisiä prosesseja, jotka parantavat NMR herkkyyttä suuruusluokkien mukaan spinien hyperpolarisoinnilla, joka perustuu paravedyn, molekyylivedyn (H2) spinien modifikaatioon, katalyyttisesti tuotettujen hyperpolarisoitujen molekyylien lähteenä. Käytämme tätä lähestymistapaa homogeenisten ja heterogeenisten katalyyttien mekanistiseen karakterisointiin ja reaktion kuvantamiseen. Metallittoman katalyysin kehittymisen perusteella kehitämme metallittomia paravedyn aktivaattoreita, jotta voimme luoda yliherkkiä myrkyttömiä sensoreita biomolekyylitutkimuksiin.

Ydinmagneto-optinen spektroskopia (NMOS) on uusi spektroskooppinen menetelmäperhe, joka hyödyntää polaroidun valon ja atomiydinten sekä elektronien välistä vuorovaikutusta aineen rakenteen tutkimiseen suurella erotuskyvyllä. Perinteisessä NMR-spektroskopiassa magneettisia ytimiä havaitaan kelaan indusoituvan jännitteen avulla, kun taas NMO-spektroskopiassa mitataan muutoksia näytteen läpi kulkevan valon polarisaatiossa. NMOS kattaa useita menetelmiä, joissa mitataan erilaisia optisia ilmiöitä kuten kahtaistaittavutta tai ympyrädikroismia. Kehitämme uusia teoreettisia malleja ja kokeellisia laitteistoja pystyäksemme sekä havaitsemaan näitä ilmiöitä että ymmärtämään niitä syvällisemmin.