Väitös: Kemiallisten reaktioiden mekanismit ja molekyylien ominaisuudet avautuvat laskennallisen mallinnuksen kautta (Valjus)
Kemiallisissa reaktioissa aineet muuttuvat uusiksi aineiksi ja niihin liittyy usein silmillä havaittavia muutoksia. Esimerkiksi puun palamisessa tapahtuu sarja kemiallisia reaktioita, jotka tuottavat lämpöä ja valoa sekä kaasumaisia että kiinteitä tuotteita. Mutta mitä kemiallisessa reaktiossa tarkalleen ottaen tapahtuu molekyylitasolla? Toisin sanoen, miten reagoivat aineet muuttuvat uusiksi tuotteiksi katkomalla ja muodostamalla kemiallisia sidoksia?
- Tähän kysymykseen on usein mahdotonta vastata pelkästään aistihavaintojen kautta. Eikä kemiallisten reaktioiden mekanismien tutkiminen aina onnistu myöskään yleisimpien kokeellisten analyysimenetelmienkään avulla, kertoo väitöskirjatutkija Juuso Valjus Jyväskylän yliopistosta.
Tietokoneet ennustavat molekyylien käyttäytymistä
Viimeisten 30 vuoden aikana laskennallisesta mallintamisesta eli kemian tutkimisesta tietokonesimulaatioilla on tullut tärkeä työkalu kemiallisten reaktioiden tutkimuksessa. Modernien laskennallisten menetelmien tarkkuus yhdistettynä käytettävissä olevaan laskentatehoon mahdollistaa kemiallisten yhdisteiden rakenteiden ja energioiden välisen yhteyden, eli potentiaalienergiapintojen, laskemisen ennennäkemättömällä tarkkuudella, mikä mahdollistaa molekyylien reaktiivisuuden selittämisen ja ennustamisen.
- Potentiaalienergiapintaa voidaan ajatella mäkisenä maisemana, jossa on laaksoja, vuoristosolia ja huippuja. Laaksot vastaavat molekyylien pysyviä muotoja ja niitä yhdistävät vuoristosolat puolestaan kuvaavat erilaisia tapoja, joilla molekyylit voivat muuttua toisikseen eli reagoida keskenään, selventää Valjus.
Fosfinideenikalkogenidien reaktiivinen maailma
Valjuksen tutkimustyön keskiössä olivat fosfinideenikalkogenidit eli molekyylit, joissa on rakenteen päässä fosforin ja kalkogeenin, käytännössä rikin tai seleenin, välinen kaksoissidos. Tällainen kemiallinen ympäristö tekee molekyyleistä erittäin reaktiivisia ja ne reagoivatkin helposti keskenään muodostaen suurempia rengasrakenteita.
- Väitöstyössäni selvitin mekanismit rengasrakenteisten fosfinideenikalkogenidien muodostumiselle sekä erilaisten rakenteiden avaamiselle esimerkiksi lämmön tai emästen avulla. Tulosten avulla suunnittelimme uusia mahdollisia reaktioreittejä, joiden kautta yhteistyökumppanimme saivat tehtyä yhä isompia ja monimutkaisempia yhdisteitä, sanoo Valjus.
Modernit menetelmät vievät kohti tarkempaa kemiallista ymmärrystä
Fosfinideenikalkogenidien lisäksi Valjuksen väitöstyö käsittelee typen, hapen ja rikin muodostamia kolmiatomisia negatiivisesti varautuneita ioneja eli anioneja.
- Oli yllättävää huomata, että joistakin hyvin yksinkertaisista kemiallisista systeemeistä oli olemassa vain hyvin vähän kokeellista tai laskennallista tietoa. Osa viimeisimmistä tutkimuksista oli myös tehty useita vuosikymmeniä sitten, jolloin käytetyt laskennalliset menetelmät olivat huomattavasti nykyisiä epätarkempia, toteaa Valjus.
Väitöskirjan osajulkaisussa Valjus hyödynsi laaja-alaisesti moderneja laskennallisia menetelmiä tutkimuksen kohteena olleiden ionien rakenteiden ja ominaisuuksien selvittämiseksi. Tulosten perusteella esitettiin esimerkiksi keino sille, miten rikki- ja typpiatomien muodostama ioni NS2− voitaisiin valmistaa ja eristää analyysejä varten.
- Tästä ionista on toistaiseksi olemassa vain muutama epäsuora havainto. Lisäksi aiempi laskennallinen data sen ominaisuuksista oli osin ristiriitaista. Saamani tulokset antavat kuitenkin hyvin yhtenäisen kuvan ionin NS2− ominaisuuksista ja kemiasta, ja uskon, että sen valmistamisessa tullaan vielä onnistumaan, toivoo Valjus.
Väitöskirjatutkimus on saanut rahoitusta Euroopan tutkimusneuvostolta (ERC) Euroopan Unionin Horisontti 2020 -tutkimus- ja innovaatio-ohjelman puitteissa. Tutkimusta on osarahoittanut myös Jyväskylän yliopisto.
FM Juuso Valjuksen väitöskirjan "Fosfinideenikalkogenidien sekä typen, hapen ja rikin muodostamien kolmiatomisten anionien elektronirakenteiden ja reaktiivisuuden laskennallinen mallintaminen” tarkastustilaisuus pidetään 5.12.2025 klo 12:00 kemian laitosrakennuksen luentosalissa KEM4. Vastaväittäjänä toimii professori Theo Kurten (Helsingin yliopisto) ja kustoksena professori Heikki M. Tuononen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on suomi.
Väitöskirja on julkaistu osana Jyväskylän yliopiston JYU Dissertations -sarjaa ja on saatavilla verkossa osoitteessa: https://jyx.jyu.fi/jyx/Record/jyx_123456789_106315?sid=230694250
