Ajankohtaista

Väitös: Koko määrää atomirypään muodon ja rakenteen (Manninen)

Alkamisaika: perjantai 23. heinäkuuta 2004, 12.00

Päättymisaika: perjantai 23. heinäkuuta 2004, 00.00

Paikka: FYS1,Ylistönmäki

FM Kirsi Mannisen fysiikan väitöskirjan ”Studies of structures and melting of small metal clusters” (Tutkimus pienten metallirypäiden rakenteista ja sulamisesta) tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Fernand Spiegelmann (CNRS and Universite Paul Sabatier, Toulouse, Ranska) ja kustoksena professori Matti Manninen.

Atomirypäiden koolla on suuri merkitys atomirypään muodolle ja rakenteelle sekä fysikaalisille ominaisuuksille. Tämä selviää Kirsi Mannisen väitöskirjatutkimuksesta, jossa hän on tarkastellut tiiviisti pakattujen 2-110 atomin atomirypäiden rakennetta ja erityisesti natriumrypäiden sulamista ja elektronirakennetta.

Atomirypäs eli kahdesta useaan sataan atomia sisältävä "atomimöykky" muistuttaa rakenteeltaan kiinteää ainetta, mutta siinä saattaa olla esimerkiksi teräviä kulmia. Atomirypäs ei kuitenkaan halua pysyä tällaisessa muodossa vaan muuttaa erittäin herkästi rakenteen uudeksi, yleensä pallonmuotoiseksi ja tiiviimmäksi. Manninen tarkasteli, minkälaisissa rakenteissa pienet atomirypäät haluavat olla käyttäen yksinkertaisia klassisia potentiaalimalleja.

Atomirypäät ovat kokonsa puolesta yksittäisten atomien ja jatkuvan kiinteän aineen välissä. Tämä mahdollistaa erilaisten fysikaalisten suureiden tutkimuksen siirryttäessä kiinteästä aineesta yksittäisen atomiin. Fysikaalisten suureiden muutoksen tietämys on tärkeää, sillä esimerkiksi elektroniikan komponentit ovat pienentyneet ratkaisevasti viime vuosina ja sama kehitys jatkunee tulevaisuudessa. Tämä mahdollistaa elektronisten laitteiden, kuten matkapuhelimien, koon pienentymisen entisestään. Tämän vuoksi on tärkeää tietää mitä rajoituksia - ja toisaalta myös mahdollisuuksia - on odotettavissa, kun komponentit jatkossa vielä pienentyvät. Atomirypäiden eri ominaisuuksien tutkiminen on yksi nanotieteiden osa-alue. Nanorakenteiden tutkimus on viime vuosina noussut tärkeäksi tutkimusalueeksi mistä on osoituksena mm. uuden Nanoscience Centerin rakentaminen Jyväskylään.


Atomin koko vaikuttaa atomirypään sulamispisteeseen

Manninen tarkasteli työssään myös natriumrypäiden sulamista. Yleisesti tiedetään, että kiinteä aine sulaa yhdessä tunnetussa lämpötilassa. Tämä ilmiö on kaikille tuttu esimerkiksi uudenvuoden tinaa sulatettaessa. Atomirypäs kuitenkin sulaa kiinteää ainetta alhaisemmissa lämpötiloissa suuren pinta-atomimääränsä vuoksi. Atomirypään sulaminen ei tapahdu vain yhdessä ja samassa lämpötilassa vaan pikkuhiljaa jollakin lämpötila-alueella.

Kokeellisesti natriumrypäiden sulamista on tutkittu Freiburgissa Saksassa professori Haberlandin tutkimusryhmässä. Näiden kokeiden mukaan natriumrypäiden sulamislämpötilat vaihtelevat voimakkaasti natriumin koon kasvaessa. Manninen tutki natriumrypäiden sulamisen voimakasta vaihtelua teoreettisesti käyttäen sekä klassista että kvanttimekaanista molekyylidynamiikkaa.

Mannisen mukaan klassisella molekyylidynamiikalla ei voida selittää natriumin outoa sulamislämpötilan vaihtelua. Sen sijaan kvanttimekaanisella molekyylidynamiikalla, joka huomioi myös rypään elektronirakenteen, on pystytty osoittamaan, että ainakin jos atomeita on korkeintaan 93, niin laskuissa saadut sulamispisteet ovat virherajat huomioiden kokeellisia tuloksia vastaavat. Tämä puolestaan osoittaa, että elektronirakenteen kvanttimekaanisilla ilmiöillä on merkitystä atomirypäiden sulamista tarkasteltaessa.

Väitöskirjatyötä on tukenut Vilho, Yrjö ja Kalle Väisälän rahasto. Väitöskirjan laskut on tehty käyttäen Tieteen tietotekniikan keskuksen (CSC) supertietokoneita.


Lisätietoja

Kirsi Manninen, puh. (014) 260 2398 (työ), (014) 213364 (koti), 040 755 3282 (matkapuhelin), kirsi.manninen@phys.jyu.fi.

tiedottaja Liisa Harjula, puh. (014) 260 1043, tiedotus@jyu.fi, josta voi tiedustella myös väittelijän kuvaa sähköisessä muodossa.

Väitöskirja on julkaistu sarjassa Deparment of Physics, University of Jyväskylä, Research report 2/2004, 120 s., Jyväskylä 2004, ISSN: 0075-465X, ISBN: 951-39-1871-8. Sitä saa fysiikan laitokselta, puh. (014) 260 2350.

Kirsi Manninen (s. Suominen, s. 1973) on kirjoittanut ylioppilaaksi entisestä Rovaniemellä sijainneesta Rantavitikan lukiosta 1992. Hän valmistui filosofian maisteriksi Jyväskylän yliopistosta 1995. Tämän jälkeen hän oli kotiäitinä hoitaen kolmea poikaansa, kunnes aloitti jatko-opinnot syksyllä 2000 Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen teoreettisen materiaalifysiikan tutkimusryhmässä professori Matti Mannisen johdolla.


Abstract

Clusters are finite aggregates of atoms or molecules that contain from a few to tens of thousands of atoms. The number of atoms or molecules are countable and they exhibit unique physical and chemical phenomena. Small clusters often present significant physical and chemical differences with respect to the atoms or molecules and the bulk material, because the size of the cluster lies somewhere in between an ensemble of single atoms or molecules and a bulk solid material. This is why clusters provide a bridge between the size of the atoms and bulk
material. The evolution of the properties from atoms to bulk material is very interesting and gives the possibility for new technological applications like nanoelectronics. One aim in material science is to obtain smaller and smaller devices with precise properties.

The first part of the thesis is focus on close-packed clusters and especially on their structure. Structure has a central role in cluster science and it has an influence to many properties of clusters. Much experimental and theoretical effort has been expended in order to characterize the structure of clusters. The
size dependence of the different properties is indeed one of the unique phenomena for clusters. Two types of contact interactions, pair-potential and tight binding interactions, were used to study structures of close-packed clusters with N = 2-110 hard spheres.

Due to the fact that the properties of the surface atoms in a cluster scales with cluster radius R, one should expect that the melting behavior as well as other properties are monotonic, smooth functions of the cluster size. However, there is evidence indicating that for example, melting temperature does not evolve gradually as the cluster size is increased, but exhibits an irregular dependence on cluster size. The initial motivation for last part of the thesis is to explain the unusual melting temperature variation. It became evident that in order to explain the experimental results it was necessary to use an ab initio molecular dynamic method instead of a semi-classical molecular dynamic simulations
method.




Tekijä

Liisa Harjula
liisa.harjula@adm.jyu.fi
JY viestintä
kuuluu seuraaviin kategorioihin: