G4 Doctoral dissertation (monograph)
Molecular dynamics view on matrix isolation (2022)

Järvinen, T. (2022). Molecular dynamics view on matrix isolation [Doctoral dissertation]. University of Jyväskylä. JYU Dissertations, 544. http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-9356-6

JYU authors or editors

Publication details

All authors or editors: Järvinen, Teemu

eISBN: 978-951-39-9356-6

Journal or series: JYU Dissertations

eISSN: 2489-9003

Publication year: 2022

Number in series: 544

Number of pages in the book: 1 verkkoaineisto (xix, 143, 8 sivua, 1 numeroimaton sivu)

Publisher: University of Jyväskylä

Place of Publication: Jyväskylä

Publication country: Finland

Publication language: English

Persistent website address: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-9356-6

Publication open access: Openly available

Publication channel open access: Open Access channel

Abstract

Kyky tunnistaa eri molekyyleja on yksi kemian päätavoitteista. Yleinen nykyaikainen menetelmä on havainnoida molekyylien värähtelyä infrapunaspektrin tai Raman-spektroskopian avulla. Tätä menetelmää käytetään matriisieristyskokeissa, joissa yksittäisiä molekyyleja tai komplekseja eristetään kiinteän jalokaasusta tai typestä tehtyyn matriisiin. Tällöin alhaisissa lämpötiloissa kiinteytyvä jalokaasuympäristö on inertti ympäristö, jossa voidaan säilöä kemiallisesti reaktiivisia molekyyleja ja radikaaleja. Tutkittavia molekulaarisia systeemejä ympäröivä matriisi vaikuttaa sen sisällä olevien molekyylien värähdyksiin, jonka seurauksena spektroskopialla nähtävissä signaaleissa on muutoksia. Vaikka nämä muutokset eivät yleensä estä molekyylien tunnistamista, on muutosten alkuperän ymmärtäminen tärkeää. Se antaa informaatiota, jolla voidaan selvittää, miten matriisin atomit ovat asettuneet tutkittavan molekyylin ympärille. Tästä käytetään termiä saittirakenne, joka tarkoitaa matriisissa esiintyviä paikallisia, lokaaleja rakenteita. Nämä paikalliset rakenteet ovat spektroskooppisesti havaittavia ja tunnistettavia, jotka puolestaan antavat viitteitä siitä, miten kemialliset reaktiot matriisissa tapahtuvat ja mistä spektrissä nähtävät erilaiset rakenteet syntyvät. Tämä väitöskirja esittelee menetelmän, jolla näitä matriisin aiheuttamia muutoksia voidaan mallintaa perustuen molekyylidynamiikkaan. Menetelmä mahdollistaa myös kemiallisten reaktioiden mallintamisen matriisissa. Menetelmän avulla lasketut tuloksen sisältävät uutta tietoa tiettyjen molekyylien saittirakenteista ja molekyylien värähtelyjen kautta käynnistetyistä reaktioista. Tulokset sisältävät vastauksia muutamiin vuosikymmeniä vanhoihin ongelmiin, jotka käsittelevät kiinteän matriisiympäristön vaikutuksia kemiallisten systeemien rakenteisiin ja Ability to identify different molecules is one of key goals in chemistry. A common modern way is to identify molecules based on their vibrations that can be detected by infrared spectroscopy or vibrational Raman spectroscopy. This is the way how molecules are identified in matrix isolation experiments, where individual molecules or molecule clusters are enclosed in solid noble gas or nitrogen matrix, an inert environment that allows long term storage of highly reactive molecules and radicals. Surrounding matrix changes the infrared signal of the molecules enclosed within, by changing the shape of observed vibrational transtions and possibly causing extra peaks to appear. While these rarely prevent identification, it is important to understand where these effects originate, as it gives us information how the matrix atoms are positioned around the embedded molecule(s), called as local site structure. They will give information on how reactions happen in the matrix and where the extra structures in the observed spectra originate. This Thesis introduces a way to calculate these matrix effects based on molecular dynamics. The method also allows modeling of chemical reactions within the matrix. Resulting calculations present novel information about local site structures of certain molecule and some results on dynamical behavior of vibrationally induced reactions. Such insights include answers to some decades old questions on the local structures and their spectroscopic evidences in the experimental investigations. In the future the method presented here, and the suggested future developments are likely to become a standard part of matrix isolation experiments. Such an approach as presented here could open up a new era in matrix isolation field, where the matrix effects appearing and observed in experimental spectra can be consistently understood and the reactions therein may be modeled with good accuracy.

Keywords: molecules; recognition; oscillations; molecular dynamics; spectroscopy; Raman spectroscopy; chemical reactions; photons; modelling (representation); matrices

Contributing organizations

Related projects

Ministry reporting: Yes

Reporting Year: 2022