Metallin tavoin käyttäytyviä hiukkasia voidaan puolestaan hyödyntää herkkinä sensoreina kemiallisessa analytiikassa ja biokuvantamisessa. Näihin sovelluskohteisiin on saatu uutta tietoa Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkimuksissa, jotka ovat Suomen Akatemian rahoittamia.
Kaksi hiljattain julkaistua tutkimusta osoittavat, että kemiallisesti valmistettujen kultananohiukkasten elektronisissa ominaisuuksissa tapahtuu suuri muutos kahden erikokoisen mutta muuten hyvin samanlaisen hiukkasen välillä.
Hiukkaset, joissa on 102 tai sitä vähemmän kulta-atomeja, ovat luonteeltaan kuten jättimolekyylejä, kun taas 144 kulta-atomin kokoiset tai sitä suuremmat hiukkaset ovat kuin nanometrikokoisia metallikappaleita.
Tulos saatiin selville, kun kahta erikokoista kultahiukkasnäytettä säteilytettiin laservalolla ja seurattiin kuinka hiukkasten itseensä imemä säteilyenergia kulkeutuu ympäristöön.
– Molekyyli ja metalli käyttäytyvät tässä aivan eri tavoin, kertoo kokeellista tutkimusta johtanut professori Mika Pettersson.
– Valon aikaansaama lisäenergia siirtyy metallisesta kappaleesta erittäin nopeasti ympäristöön, noin sekunnin sadasmiljardisosassa, kun taas molekyyli virittyy tietylle ylemmän energiatason tilalle, ja virityksen purkautuminen voi kestää sata kertaa pidempään, hän jatkaa.
– Havaitsimme juuri tämän eron kahden tutkimamme kultanäytteen välillä: pienempi 102 kulta-atomin hiukkanen käyttäytyi kuten molekyyli siirtyen välillä jopa magneettiseen tilaan, kun taas vain hieman isompi 144 kulta-atomin hiukkanen käyttäytyi periaatteessa samoin kuin senttimetrin kokoinen kultakappale. Olemme nyt siis onnistuneet määrittämään tärkeän kokorajan, joka erottaa nämä kaksi aivan eri tavalla käyttäytyvää systeemiä toisistaan, Pettersson summaa.
Nanotiedekeskuksen johtaja, professori Hannu Häkkinen toteaa, että kokeelliset tulokset energian siirtomekanismeista hiukkasesta ympäristöön sopivat täydellisesti yhteen tutkimusryhmän tekemien laskennallisten simulointien kanssa.
– Itse asiassa ryhmämme ennusti jo vuosina 2008-2009 simulointien perusteella periaatteellisen eron 102 ja 144 kulta-atomin hiukkasen elektronirakenteiden välillä, ja on hienoa että ennusteet on nyt tarkasti todennettu kokeellisin menetelmin, hän sanoo.
Häkkisen mukaan 144 atomin kultahiukkanen on mielenkiintoinen systeemi myös, koska simuloinneissa on havaittu, että hiukkasen metallisia ominaisuuksia voidaan jopa vahvistaa sekoittamalla kullan joukkoon hieman kuparia.