Helsingin yliopisto Suomeksi In English
Helsingin yliopisto
 
Kiinteän tilan spektroskopian ja fotokemian tutkimusryhmä
Sivujen sisällys:
Yhteystiedot:
 Fysikaalisen kemian laboratorio,
Kemian laitos,
Helsingin yliopisto
PL 55 (A.I.Virtasen aukio 1),
00014 Helsingin yliopisto

Fax: (09) 19150279

Tutkimusryhmän kiinnostuksen kohteita
 Jalokaasumolekyylit

Jalokaasut muodostavat mielenkiintoisen tutkimuskohteen. Tutkimusryhmässä jalokaasuja käytetään kiinteän tilan inerttinä ympäristönä, sillä useimmissa tilanteissa jalokaasuatomit eivät kemiallisesti reagoi. Jalokaasujen elektronista rakennetta voidaan kuitenkin häiritä, jolloin myös nämä atomit saadaan osaksi kemistien työkalupakkia. Tutkimusryhmässä jalokaasut on saatu muodostamaan uudenlaisia yhdisteitä, ns. jalokaasuhydridejä. Nämä yhdisteet muodostuvat kiinteässä tilassa sopivasta UV-säteilyllä pilkotusta prekursorimolekyylistä vetyatomien lämpöliikkeen seurauksena. Tähän kiinteän tilan kirurgiseen syntetiikkaan liittyvät seikat ymmärretään nykyään hyvin ja olemme pystyneet tuottamaan 20 erilaista, uutta jalokaasumolekyyliä. Esimerkkeinä mainittakoon HXeH, veden ja ksenonin muodostama yhdiste HXeOH, HXeCCH sekä ensimmäiset jalokaasuradikaalit HXeO ja HXeCC. Ksenon-yhdisteiden lisäksi näitä uusia jalokasuhydridejä on tehty argonin ja kryptonin kanssa. Erityisesti maailman ensimmäinen kemiallisesti sidottu argon-yhdiste, HArF, kuuluu ryhmän huippusaavutuksiin. Tämä molekyyli raportoitiin arvostetussa Nature-lehdessä elokuussa 2000 (Khriachtchev et al. Nature 406 (2000) 874) ja siitä lähtien se on paistatellut tutkijoiden kiinnostuksen kohteena. Molekyyli tarjoaa uusia mahdollisuuksia ymmärtää kemiallista sidosta ja molekyylien muodostumis- ja hajoamisdynamiikkaa kiinteässä tilassa. HArF-molekyyli avaamyös mielenkiintoisia näkökulmia kokeellisille ja laskennallisille tutkimuksille, joissa kartoitetaan molekyylien välisiä vuorovaikutuksia ja kiinteän tilan dynamiikkaa.

Molekyylien vuorovaikutukset

Molekyylien vuorovaikutuksia tutkitaan, jotta ymmärrettäisiin paremmin heikkoja kemiallisia vuorovaikutuksia ja niiden seurauksia ilma-, astro- ja biokemiallisissa yhteyksissä. Tutkimukset keskittyvät erityisesti eristettyjen vetysidottujen kompleksien kokeelliseen tutkimukseen, joita tuetaan laskennallisin menetelmin. Tutkimuskohteinamme onvat erityisesti olleet H2O...N2, H2O...CO, H2O2...CO, H2O2...N2, HCOOH...CO, HCN...H2O, NH3...CO ja vastaavat vetysidotut kompleksit. Tyypillisesti kompleksit tuotetaan kiinteässä tilassa sopivasta molekyyliprekursorista UV-säteilytyksen avulla. Tällöin voidaan tutkia kompleksin ominaisuuksia lähes häiriöttömässä tilassa ja kartoittaa molekyylien välillä esiintyviä prosesseja hyvin tarkasti.

Konformeerikemia

Molekyylien rakenne vaikuttaa niiden kemialliseen käyttäytymiseen. Laboratoriossa on tutkittu molekyylien konformeerejä ja niiden välisiä prosesseja jo pitkään. Tutkimusten tähtäimessä on ymmärtää ja hallita molekyylien eri rakennemuotojen välinen dynamiikka sekä kyetä hallitusta valitsemaan "oikea" rakenne halutun kemiallisen prosessin lähtökohdaksi. Yksi viimeaikaisista mielenkiintoisista tutkimustuloksistamme koskee pienten karboksyylihappojen eri rakennemuotojen muodostamista ja tunnistamista jalokaasukiteissä. Muurahaishapon (HCOOH) kohdalla kykenimme ensimmäistä kertaa mittaamaan ns. korkeamman energian muodon (cis-HCOOH) infrapunaspektrin sekä koestamaan ympäristön vaikutusta tämän korkeaenergisemmän muodon häviämisprosesseissa. cis-HCOOH -molekyyli voidaan tuottaa trans-muodosta selektiivisellä IR-pumppauksella, jonka jälkeen cis-muoto palautuu takaisin trans-muodoksi fononiavusteisen tunnelointimekanismin avulla. Erityisen kiinnostavaksi tämän prosessin tekee se, että ennen kuin cis-muoto palautuu stabiiliksi muodoksi, se voidaan fotokemiallisesti rikkoa veden ja hiilimonoksidin muodostamaksi kompleksiksi. Tässä prosessissa näkyy "konformeerimuisti" eli fotokemiallisen prosessi riippuu lähtöaineen konformeeristä: cis-HCOOH tuottaa erilaisen reaktiotuotesuhteen kuin trans-muoto. Kaikilla näillä prosesseilla on vastaavuuksia biosystemeissä esiintyvien rakennespesifisten reaktioiden kanssa, joten tutkimuksemme sisältävät lupauksen molekyylirakenteiden ohjauksesta, jota voidaan käyttää haluttujen reaktiotuotteiden tai -suhteiden aikaansaamiseksi.

Kaasuanalytiikka

Collaboration Tässä tutkimushankkeessa tutkitaan yhteistyössä yritysmaailman kanssa uusia kaasuanalytiikan mahdollisuuksia ja menetelmiä. Tutkimushanke liittyy with GASMETTM analysaattoriin, joka perustuu infrapuna-alueella toimivaan pienoiskokoiseen interferometriin. Analysaatorilla voidaan erottaa 20 erilaista yhdistettä yhtäaikaisesta mittauksesta ja laitteen tarkkuus on parhaimmillaan ppb-alueella. Erityisesti tutkimme analysaattorin sovelluksia lääketieteellisissä tehtävissä, erityisesti nopeissa ja tarkoissa hengitysilma-analyyseissä.

Ympäristökemia

Ympäristökemiallisia sovelluksia tutkimuskohteimme joukossa on vetyproksidin ja sen rikkianalogien kemiassa. Olemme löytäneet uuden, erityisesti ilmakemian kannalta merkittävän reaktiokanavan, jossa vetyperoksidia voidaan tuottaaa veden ja perustilaisen happiatomin muodostamasta kompleksista. Tällä reaktiolla on erityistä merkitystä jäässä esiintyville UV-indusoiduille prosesseille, jotka ovat merkittäviä avaruuskemiassa, pilvien muodostumisessa, jäätiköiden kemiassa sekä ilmakehän mallien kehittämisessä.

Tutkimuskohteinamme ovat lisäksi pienten ilmakehässä esiintyvien molekyylien (HONO, HOSO) kemialliset prosessit sekä niiden ultraviolettivalolla käynnistettävät reaktiot. Näissä tutlkimuskohteissa on myös yhtymäkohtia kiinteän tilassa tapahtuvien atomien liikettä kartoittavien tutkimusten kanssa.

Raman-spektroskopia

Raman-spektroskooppiset tutkimuksemme keskittyvät heterogeenisen katalyysin ja ohutkalvojen spektroskooppisten tutkimusmenetelmien kehittämistyöhön. Menetelmää käytetään lisäksi kiinteän tilan spektroskooppisiin tutkimuksiin, jolloin saadaan IR-spektroskopian ohella täydentävää kokeellista tietoa molekyylien rakenteista ja ominaisuuksista. Tärkeimmät tutkimuskohteemme ovat tällä hetkellä timantinkaltaiset pinnoitteet, joiden syvyysprofilointi on merkittävä uusi aluevaltaus.

Raman-spektroskopiaa käytetään myös piin ja piidioksidin muodostamien kiinteiden näytteiden karakterisoinnissa. Olemme kehittäneet kvantitatiivisen mallin Si/SiO2 kiteelle (superlattice, SL) ja soveltaneet sitä Raman ja fotoluminesenssitutkimuksissa. Tutkimusten perusteella voidaan määrittää eri piiyhdisteiden osuus näytteessä, kartoittaa piipitoisen aineen syvyysprofiilia sekä saadaan tietoa piitä sisältävien näytteiden valokemiasta. Erityisesti olemme saaneet mielenkiintoista tietoa näytteseen ohjatun valon käyttäytymisestä ja vahvistumisesta piimateriaalissa, jolla on tulevaisuudessa sovelluksia mm. piilaserin kehittämisessä.