Metanoliklusterien ja -monomeerin valenssielektronirakenteen ja hajoamisen tutkiminen elektroni-ioni-koinsidenssimenetelmällä

Abstract

Klustereita tutkitaan nykypäivänä paljon, koska ne ovat nanokokoisia, ja niillä on pienestä koostaan johtuen ainutlaatuiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet. Tutkimalla näiden ominaisuuksien muutoksia klusterien koon funktiona, voidaan ymmärtää paremmin aineen makroskooppisten ominaisuuksien mikroskooppinen alkuperä. Tällaisten ominaisuuksien riippuvuus klusterien koosta on yhteydessä klusterin elektroni- ja geometrisen rakenteen muutoksiin. Pienet metanoliklusterit muodostuvat metanolimolekyylien sitoutuessa toisiinsa lineaarisilla vetysidoksilla, jotka määrittävät metanoliklusterien tyypillisen rakenteen. Vetysidokset ovat tärkeitä monissa biologisissa ympäristöissä, ja koska metanoli on yksinkertaisin alkoholi, se on hyvä mallisysteemi, kun tutkitaan liuenneiden aineiden ja liuottimien välisiä vuorovaikutuksia ja sitoutumista vetysidosten välityksellä. Tässä työssä tutkittiin metanolimolekyylin ja pienien metanoliklusterien valenssielektronirakenteita ja hajoamista ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta.

Jotta ionisoivan säteilyn aiheuttamaa molekyylin hajoamistapahtumaa voidaan mallintaa luotettavasti, tarvitaan tietoa mahdollisimman monesta säteilyn ja molekyylin vuorovaikutuksen seurauksena syntyneestä partikkelista. Tässä työssä tutkimusmenetelmänä käytettiin koinsidenssimenetelmää, jonka tarkoituksena on havaita samasta säteilyn aiheuttamasta ionisaatiotapahtumasta syntynyt elektroni ja ioni. Käytetty mittalaitteisto koostui klusteri- ja säteilylähteestä sekä ioni- ja elektronispektrometrista. Mittauksissa käytetyn ultraviolettisäteilyn energia oli . Tällaisen säteilyn avulla voitiin tutkia nimenomaan kohdemolekyylien valenssialueen elektronirakennetta ja valenssielektronin ionisaation aikaansaamia hajoamisprosesseja kyseisissä molekyyleissä.

Mittaustulosten perusteella määritettiin metanolimonomeerin ja -klusterien hajoamisreitit käytetyllä säteilyenergialla sekä metanolimonomeerin hajoamisessa syntyvien fragmenttien riippuvuus molekyyliorbitaaleilta tapahtuvista elektronisista siirtymistä. Havaittujen fragmenttien perusteella pääteltiin, että suurin klusterilähteessä syntynyt klusteri on metanoliheksameeri. Sekä metanolimonomeerin että -klusterien hajoamisen seurauksena syntyneiden fragmenttien esiintymisenergiat määritettiin, ja niiden todettiin vastaavan hyvin kirjallisuudessa esiintyviä kokeellisesti määritettyjä arvoja. Esiintymisenergioiden todettiin pienenevän, kun havaitun klusteri-ionin muodostavien metanolimolekyylien lukumäärä kasvaa. Protonoituneen metanolimonomeerin ja -dimeerin kanssa koinsidenssissa havaittujen elektronien energioiden erot viittaavat siihen, että metanolidimeerin ja -trimeerin geometrinen rakenne on huomattavasti toisistaan poikkeava.