Nanoscale studies of materials using x-ray synchrotron radiation and mesoscopic modelling

X-ray synchrotron radiation was used to study the nanostructure of cellulose in Norway spruce stem wood and powders of cobalt nanoparticles in cellulose support. Furthermore, the growth of metallic clusters was modelled and simulated in the mesoscopic size scale. Norway spruce was characterized with x-ray microanalysis at beamline ID18F of the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble. The average dimensions and the orientation of cellulose crystallites was determined using x-ray microdiffraction. In addition, the nutrient element content was determined using x-ray fluorescence spectroscopy. Diffraction patterns and fluorescence spectra were simultaneously acquired. Cobalt nanoparticles in cellulose support were characterized with x-ray absorption spectroscopy at beamline X1 of the Deutsches Elektronen-Synchrotron in Hamburg, complemented by home lab experiments including x-ray diffraction, electron microscopy and measurement of magnetic properties with a vibrating sample magnetometer. Extended x-ray absorption fine structure spectroscopy (EXAFS) and x-ray diffraction were used to solve the atomic arrangement of the cobalt nanoparticles. Scanning- and transmission electron microscopy were used to image the surfaces of the cellulose fibrils, where the growth of nanoparticles takes place. The EXAFS experiment was complemented by computational coordination number calculations on ideal spherical nanocrystals. The growth process of metallic nanoclusters on cellulose matrix is assumed to be rather complicated, affected not only by the properties of the clusters themselves, but essentially depending on the cluster-fiber interfaces as well as the morphology of the fiber surfaces. The final favored average size for nanoclusters, if such exists, is most probably a consequence of these two competing tendencies towards size selection, one governed by pore sizes, the other by the cluster properties. In this thesis, a mesoscopic model for the growth of metallic nanoclusters on porous cellulose fiber (or inorganic) surfaces is developed. The first step in modelling was to evaluate the special case of how the growth proceeds on flat or wedged surfaces.

Nanohiukkasilla on useita ominaisuuksia, joita ei pystytä kovin hyvin selittämään klassisen kemian tai kiinteän olomuodon fysiikan teorioilla. Nanohiukkasten mielenkiintoiset ominaisuudet johtuvat pääosin hiukkasten pienestä kokoluokasta jossa kvanttifysiikan ilmiöt ovat jo merkittäviä. Koon lisäksi nanohiukkasten fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin vaikuttavat mm. hiukkasten atomirakenne, hiukkasten keskinäiset etäisyydet ja väliaine jossa hiukkaset ovat. Useat nanohiukkasten pienestä koosta johtuvat ominaisuudet ovat hyödyllisiä ja mahdollistavat niiden käytön monissa sovelluksissa, kuten korkean tiheyden magneettisissa tallennusvälineissä (esim. tietokoneen kovalevyt) ja pigmentteinä sekä keramiikassa että maaleissa. Tulevaisuudessa nanohiukkasia voidaan hyödyntää lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten pahanlaatuisten kasvainten riskittömässä hoitamisessa ja lääkkeiden täsmäannostajina ihmisen kehossa. Nanohiukkasten rakenteen kokeelliseen tutkimiseen olen hyödyntänyt nykyaikaisia Hampurissa ja Grenoblessa sijaitsevia synkrotronisäteilylähteitä Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) ja European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). Synkrotronisäteilyn käyttö mahdollistaa aineen atomirakenteen tarkastelun erikoismenetelmillä, joihin ei kotilaboratoriossa ole mahdollisuutta. Esimerkiksi heikosti järjestyneen aineen atomitason rakennetta voidaan tutkia mm. röntgenabsorptiospektroskopialla (XAS, x-ray absorption spectroscopy, extended x-ray absorption fine structure EXAFS) ja nanometritason rakennetta erilaisilla röntgensäteiden pienkulmasirontaan perustuvilla menetelmillä. Edellä mainituilla menetelmillä tutkittiin selluloosakiteitä ja magneettisia nanopartikkeleita, sekä näiden yhdisteitä, nanokomposiitteja. Synkrotronilla tehtyjen kokeiden lisäksi tutkin nanohiukkasten muodostumista laskennallisesti, yksinkertaistettujen mallien avulla. Työn tarkoituksena on ollut kehittää nanohiukkasten muodostumisen ja kasvun simuloimiseen sopiva kevyt laskennallinen menetelmä, jonka antamia tuloksia on mahdollista vertailla kokeellisiin tuloksiin.