Enligt klassisk elektromagnetism, en laddad partikel som rör sig i ett yttre magnetfält upplever en kraft som gör partikelns väg cirkulär. Denna grundläggande fysiklag utnyttjas för att designa cyklotroner som fungerar som partikelacceleratorer. När metallpartiklar av nanometerstorlek placeras i ett magnetfält, fältet inducerar en cirkulerande elektronström inuti partikeln. Den cirkulerande strömmen skapar i sin tur ett inre magnetfält som motverkar det yttre fältet. Denna fysiska effekt kallas magnetisk skärmning.

Styrkan på avskärmningen kan undersökas genom att använda kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi. Den interna magnetiska avskärmningen varierar kraftigt i en atomlängdskala, även inuti en nanometerstor partikel. Att förstå dessa variationer i atomskala är endast möjligt genom att använda kvantmekanisk teori om de elektroniska egenskaperna hos varje atom som gör nanopartikeln.

Nu, forskargruppen av professor Hannu Häkkinen vid Jyväskylä universitet, i samarbete med University of Guadalajara i Mexiko, utvecklat en metod att beräkna, visualisera och analysera de cirkulerande elektronströmmarna inuti komplexa 3D-nanostrukturer. Metoden tillämpades på guldnanopartiklar med en diameter på endast cirka en nanometer.

Beräkningarna belyser oförklarade experimentella resultat från tidigare NMR-mätningar i litteraturen om hur magnetisk avskärmning inuti partikeln förändras när en guldatom ersätts med en platinaatom.

Ett nytt kvantitativt mått för att karakterisera aromaticitet inuti metallnanopartiklar utvecklades också baserat på den totala integrerade styrkan hos den skärmande elektronströmmen.

"Aromaticitet hos molekyler är ett av de äldsta begreppen inom kemi, och det har traditionellt kopplats till ringliknande organiska molekyler och till deras delokaliserade valenselektrondensitet som kan utveckla cirkulerande strömmar i ett externt magnetfält. Dock, allmänt accepterade kvantitativa kriterier för graden av aromaticitet har saknats. Vår metod ger nu ett nytt verktyg för att studera och analysera elektronströmmar med upplösningen av en atom inuti vilken nanostruktur som helst, i princip. Granskarna av vårt arbete ansåg detta som ett betydande framsteg på området, säger professor Häkkinen som koordinerade forskningen.