Uudet kultananoklustereista rakennetut uudet MOF-materiaalit voivat mullistaa nanoelektroniikan, kertoo Jyväskylän yliopisto tiedotteessaan. Kansainvälisellä tutkimustyöllä saatiin aikaan neljä materiaalia, joiden sähkönjohtavuus ja puolijohdemainen käyttäytyminen avaavat mahdollisuuksia ominaisuuksien tarkkaan hallintaan nanoelektroniikassa.

Eteläkorealaisen Pohangin yliopiston toimesta valmistettiin hankkeessa neljä uutta MOF-materiaalia  metal-organic framework). kultananoklustereista. Jyväskylän yliopiston laskennallisen nanotieteen professori Hannu Häkkisen johtama tutkimusryhmä vastasi uusien MOF-materiaalien ominaisuuksien tutkimisesta laskennallisin keinoin

’’Havaitsimme tutkimuksessamme, että klustereiden välisen etäisyyden pienentäminen paransi materiaalin sähkönjohtavuutta jopa 31-kertaisesti’’, selventää laskennallisen nanotieteen professori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta.

Tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvat supertietokonelaskut osoittivat, että näiden materiaalien elektroniset ominaisuudet ovat lähellä perinteisiä puolijohdemateriaaleja. Tutkimus osoitti myös, että klustereita yhdistävän metalli-ionin elektronirakenne vaikuttaa merkittävästi materiaalin johtavuuteen.

’’ Yksittäisten kultaklustereiden ominaisuudet ovat jo hyvin tunnettuja ja tutkittuja. Klustereiden yhdistäminen verkostoiksi erilaisten metalli-ionien kautta mahdollistaa materiaalien suunnittelun ja niiden elektronisten ominaisuuksien muokkaamisen tarkasti’’, kertoo väitöskirjatutkija Hanna Jääskö Jyväskylän yliopistosta Hänen mukaansa erityisesti näiden materiaalien puolijohdemainen käyttäytyminen ja säädettävä johtavuus avaavat uusia mahdollisuuksia nanoelektroniikassa.

Laskennallinen tutkimus oli osa Suomen kvanttilippulaivan tohtorikoulutuksen pilottiohjelmaa (Quantum Doctoral Pilot Programme, QDoc), jossa Hanna Jääskön väitöskirjaprojektin tavoitteena on tutkia klusteripohjaisia materiaaleja ja niiden mahdollisia sovelluskohteita esimerkiksi kvanttiteknologiassa ja kvanttimateriaaleina. Työn laskennallisessa osassa käytettiin Tieteen tietotekniikan keskuksen (CSC) Mahti-supertietokonetta.

Taustaa: Kohteena oli ryhmä kulta-atomeja, joita kutsutaan kultananoklustereiksi, voi käyttäytyä kuin yksittäiset atomit. Kun nämä klusterit liitetään toisiinsa kolmiulotteiseksi verkostoksi metalli-ionien avulla, syntyy uusia materiaaleja, joiden ominaisuuksia voidaan hienosäätää tarkasti eri käyttötarkoituksiin. Tällaisia materiaaleja kutsutaan klusteripohjaisiksi MOF-materiaaleiksi (MOF = metal-organic framework).

Lisää: Tiedeartikkeli: Kim, S., Jääskö, H., Park, K. C., Malola, S., Häkkinen, H., & Park, S. S. Tuning the Electrical Properties through Metal-Ion-Mediated Assembly in Au25 Nanocluster- Based Frameworks.  Journal of the American Chemical Society Vol. 147, p. 30803/2025 (LINKKI).

Kuva: Havainnollistava kuva MOT-materiaalista, jossa kultananoklusterit yhdistyvät magnesium-ionien välityksellä. Sinisellä alueet kuvaavat materiaalin elektronitiheyttä sellaisella energia-alueella, joka on tärkeä sähkönjohtavuuden kannalta.  Kuva: Hanna Jääskö/Jyväskylän yliopisto.