Исследователи проанализировали циркулирующие токи внутри наночастиц золота

Исследователи из Нанонаучного центра Университета Ювяскюля в Финляндии и Университета Гвадалахары в Мексике разработали метод, позволяющий моделировать и визуализировать индуцированные магнитным полем электронные токи внутри наночастиц золота. Этот метод облегчает точный анализ эффектов магнитного поля внутри сложных наноструктур при измерениях ядерного магнитного резонанса и устанавливает количественные критерии ароматичности наночастиц. Работа опубликована 30.04.2021 в виде статьи в открытом доступе в Nature Communications.


Согласно классическому электромагнетизму, заряженная частица, движущаяся во внешнем магнитном поле, испытывает силу, которая делает путь частицы круговым. Этот основной закон физики используется, например, при разработке циклотронов, которые работают как ускорители частиц. Когда металлические частицы нанометрового размера помещаются в магнитное поле, это поле индуцирует циркулирующий электронный ток внутри частицы. Циркулирующий ток, в свою очередь, создает внутреннее магнитное поле, которое противодействует внешнему полю. Этот физический эффект называется магнитным экранированием.

Прочность экранирования можно исследовать с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Внутреннее магнитное экранирование сильно варьируется в масштабе атомной длины даже внутри частицы нанометрового размера. Понять эти изменения в атомном масштабе можно только с помощью квантово-механической теории электронных свойств каждого атома, составляющего наночастицу.

Теперь исследовательская группа профессора Ханну Хаккинена из Университета Ювяскюля в сотрудничестве с Университетом Гвадалахары в Мексике разработала метод вычисления, визуализации и анализа циркулирующих электронных токов внутри сложных трехмерных наноструктур. Метод был применен к наночастицам золота диаметром всего около одного нанометра. Расчеты проливают свет на необъяснимые экспериментальные результаты предыдущих измерений ЯМР в литературе относительно того, как изменяется магнитное экранирование внутри частицы, когда один атом золота заменяется одним атомом платины.

Также была разработана новая количественная мера для характеристики ароматичности внутри металлических наночастиц, основанная на общей интегральной силе экранирующего электронного тока.

«Ароматичность молекул — одно из старейших понятий в химии, и оно традиционно было связано с кольцевыми органическими молекулами и их плотностью делокализованных валентных электронов, которые могут создавать циркулирующие токи во внешнем магнитном поле. Однако общепринятые количественные критерии для степень ароматичности была недостаточной. Наш метод теперь дает новый инструмент для изучения и анализа электронных токов с разрешением один атом внутри любой наноструктуры, в принципе. Рецензенты нашей работы сочли это значительным достижением в этой области, «говорит профессор Хаккинен, который координировал исследование.