tiede

Melliferopolis Fest - urbaaneja uurastajia

Ke, 05/25/2016 - 07:49 Markus Hotakainen
Melliferopolis

Melliferopolis Fest on sarja tapahtumia mehiläisille ja ihmisille kaupunkiluonnossa kesäkuusta syyskuuhun 2016.

Melliferopolis-nimi muodostuu kahdesta sanasta: Apis Mellifera, joka on mehiläisen latinankielinen nimi, ja Polis, joka on kaupunki kreikaksi. Melliferopolis yhdistää villiä luontoa ja kaupunkikulttuuria. 

Mehiläiset ja ihmiset kohtaavat työpajoissa ja kaupunkitapahtumissa Helsingin keskustassa: Kaisaniemen kasvitieteellisessä puutarhassa, Tokoinrannassa ja Tarja Halosen puistossa.  

Ohjelma käsittelee puolivillien hyönteisten elämää, mehiläisten ekologiaa ja mehiläishoitoa ja yhdistelee taiteita, tieteitä ja arkkitehtuuria.

Ohjelman tekijöitä ovat innoittaneet mehiläisten lisäksi taidehistoria, nykykirjallisuus, luonnontieteelliset tutkimusmenetelmät, arkkitehtuuri ja maisemointi, musiikki sekä äänet, hajut ja maut. Osallistuaksesi tarvitset aikaa ihmettelyyn ja kaupunkiluonnon tutkailuun. 

Tapahtuman avajaiskävely on 9. kesäkuuta kello 18 alkaen Kaisaniemen kasvitieteellisen puutarhan talvipuutarhan pääovelta Tokoinrantaan, Eläintarhan Huvilalle. 

Ohjelmaa on kuitenkin tarjolla jo ennen avajaisia. 

1.–23. kesäkuuta on taiteilija Kaisa Illukan En osaa edes tehdä kukkaa  -työpaja/tapahtuma Kaisaniemen kasvitieteellisessä puutarhassa Café Violan edessä (ohjelma).

8. kesäkuuta kello 18 taiteilija Charlie Clark (UK) esittelee kirjan Siitepöly Understanding Pollen: Alternative Histories and Unknown Futures. Paikkana on Arcadia International Bookshop.

Melliferopolis Fest -ohjelman ovat suunnitelleet Christina Stadlbauer ja Ulla Taipale yhdessä Hanna Kaisa Vainion, Charlie Clarkin, Kaisa Illukan, Lesley Kadishin, Till Bovermannin ja monien muiden kanssa. Tervetuloa!

www.melliferopolis.net 

Yhteystiedot: Christina Stadlbauer, christina@melliferopolis.net, puh. 046 902 9926; Ulla Taipale, ulla@melliferopolis.net, puh. 040 511 0214

Kuva: Till Bovermann, 2013

Tieteentekijöiden kuka kukin on - retrohenkinen taistelupeli

Pe, 04/01/2016 - 13:38 Jarmo Korteniemi

Science Kombatissa selvitetään miten kävisi kuuluisten tutkijoiden kuvitteellisissa mittelöissä. Tämä ei ole aprillipila.

Kiinnostaako tietää, voittaisiko Alan Turing tappelussa Charles Darwinin? Tai voisiko Albert Einstein ehkä rökittää Stephen Hawkingin? Nyt asiaa on mahdollista testata. Ei tietenkään oikeasti, vaan viihdyttävän (ilmaisen) Science Kombat -retropelin muodossa.

Pelin on kehittänyt brasilialainen kuvittaja ja pelisuunnittelija Diego Sanches. Viime viikkoina hän on markkinoinut peliä levittämällä nettiin taistelijoiden erikoisliikkeiden animointeja. Pythagoras hyökkää suorakulmaisesti ja Isaac Newton tuikkaa vastustajaa prismalla silmään tai tiputtaa omenan tämän päähän. Valtaosa liikkeistä on mietitty ajatuksella, viitaten tutkijoiden kuuluisimpiin löytöihin. Poikkeuksena sääntöön on Marie Curie, ainoa naispuolinen peliin kelpuutettu tieteilijä. Vaikka radioaktiivisuutta toki onkin vaikea kuvata, tästä tekijälle siis isoa miinusta.

Peli löytyy Super Intressanten sivuilta, ja se on portugalinkielinen. Ei kuitenkaan haittaa, vaikka kyseinen kieli olisikin hieman ruosteessa, sillä pelin käynnistäminen on varsin intuitiivista. Ensin valitaan joko turnaus tai yksittäinen taistelu, sitten pelaajan hahmo sekä vastustaja, ja sitten eikun hommiin.

Pelistä on aiemmin tehty humanistisempi versio, jossa voi kokeilla vaikkapa Karl Marxin ja Paul Sartren mittelöä. Sartren apuna on Simone de Beauvoir, joten kisa voi olla epätasainen.

Kumpi voittais jos Teris ja Hulk tappelis oli ainakin minun nuoruudessani koulupihoilla käytyä spekulointia. Eihän siinä tietenkään mitään järkeä ollut. Tässä sitä on hitunen, sillä pelin tiimellyksessä mukaan voi tarttua yleistietoa tieteestä. Mutta viihdettä tässä on paljon.

Lisäys klo 15.00: Mikäli joku osaava innostuu tekemään jotain vastaavaa suomalaisista tieteentekijöistä, tämän jutun kirjoittaja on kiinnostunut osallistumaan projektiin.

Kuvat ovat kuvakaappauksia pelistä.

Villisikoja Suomessa jo kivikaudella

Ke, 12/03/2014 - 10:33 Toimitus
Villisikapesue Luonnontieteellisen museon Maailman luonto -näyttelyssä. Kuva: Marika Turtiainen / Luomus

Helsingin yliopiston tutkijaryhmä on selvittänyt, että villisikoja on ollut Suomessa jo kivikaudella. Arkeologisten luulöytöjen perusteella villisikoja on elänyt maassamme ainakin noin 8800–7900 vuotta sitten. Tähän asti on oletettu, että villisika olisi levinnyt Suomeen Virosta ja Venäjältä vasta 1950-luvulta alkaen.

Tutkijoiden havainnot perustuvat muinaisten luulöytöjen radiohiiliajoituksiin. Pelkän arkeologisen löytöyhteyden perusteella luiden iästä ei usein voida olla varmoja. Askolasta ja Joutsasta löydetyistä sian luista teetettiin tarkan iän varmistamiseksi radiohiiliajoitus AMS- menetelmällä Helsingin yliopiston Ajoituslaboratoriossa. Yliopiston tutkijaryhmä on selvittänyt, että villisikoja on ollut Suomessa jo kivikaudella. Arkeologisten luulöytöjen perusteella villisikoja on elänyt maassamme ainakin noin 8800–7900 vuotta sitten. Tähän asti on oletettu, että villisika olisi levinnyt Suomeen Virosta ja Venäjältä vasta 1950-luvulta alkaen.

Tutkimuksissa varmistui, että Askolan ja Joutsan villisianluut ovat 8800–7900 vuoden takaa. Aiemmin Vantaalta löytynyt luu on samalta ajalta.

Nykyisin Suomen ilmasto ei ole suotuisa villisioille aivan eteläosia lukuun ottamatta. Syynä on lähinnä talven kylmyys ja paksu lumipeite, joka vaikeuttaa ravinnonsaantia.

Sikojen luut ovat hyvin harvinaisia Suomen kivikautisissa aineistoissa, ja niiden kohdalla on yleensä epäilty asuinpaikkakerrostumien sekoittumista. Tämän vuoksi on ajateltu, ettei villisikoja olisi elänyt Suomessa edes silloin, kun se ilmaston ja kasvillisuuden perusteella olisi ollut mahdollista.

Ajoitusten myötä on selvää, että villisikoja on pyydetty Suomessa kivikaudella.

"Villisika on ollut suosikkipyyntikohde ja tärkeä osa elinkeinoa kaikilla alueilla, joilla se on elänyt runsaana", kertoo arkeologi Kristiina Mannermaa Helsingin yliopistosta. "Jos villisika olisi ollut yleinen, se näkyisi arkeologisissa luuaineistoissamme. Pienistä määristä ei jää paljon merkkejä vuosituhansien päähän".

Villisika ei muodostanut pysyvää kantaa Suomeen eikä se esiinny arkeologisissa aineistoissa myöhempinä jaksoina.

"Meistä on todennäköistä, että ihminen esti sian vakiintumisen tänne levinneisyyden äärirajoille – aivan kuten lähivuosikymmeninä", jatkaa riistaeläintutkija Petri Nummi. "Viime aikoina sadan yksilön vuosipyynti on riittänyt estämään sian levittäytymisen. Sikaa on voitu metsästää muun pyynnin yhteydessä silloinkin, kun se on ollut vähälukuinen".

Villisikatulokset julkaistiin 26.11.2014 The Holocene -julkaisussa. Tutkimusryhmään kuuluvat paleontologi Pirkko Ukkonen, arkeologi Kristiina Mannermaa ja riistaeläintutkija Petri Nummi Helsingin yliopistosta.

Ukkonen, P., Mannermaa, K. & Nummi, P. 2014. New evidence of the presence of wild boar (Sus scrofa) in Finland during Early Holocene. Dispersal restricted by snow and hunting? The Holocene. Online. DOI: 10.1177/0959683614557575

Juttu on Helsingin yliopiston tiedote.

Otsikkokuvassa on villisikapesue Luonnontieteellisen museon Maailman luonto -näyttelyssä. Kuva: Marika Turtiainen / Luomus

Hyytiälän metsähöyryt kiinnostavat

Pe, 10/24/2014 - 00:35 Marja Saarikko

Pirkanmaalla, keskellä vihreää, sankkaa suomalaismetsää sijaitsee Hyytiälän metsäasema, jolla on tehty merkittäviä ilmastonmuutosta koskevia havaintoja. Siellä sijaitsee myös maailman tunnetuin ilmakehän tutkimiseen tarkoitettu mittausasema nimeltä SMEAR II.

Helsingin yliopiston maatalous-metsätieteelliseen tiedekuntaan kuuluvalla metsäasemalla on tehty metsien ja soiden tutkimusta jo yli sata vuotta. Asemalla järjestetään vuosittain myös kenttäkursseja ja kesäkouluja sadoille tutkijoille.

Opiskelijat ja opettajat elävät metsän keskellä idyllisessä kartanomiljöössä, uivat, saunovat, syövät hyvin sekä pitävät hauskaa opiskelun lomassa.

Mutta tärkeintä on tutkimus ja koulutus: ne liittyvät jollain tapaa ilmastonmuutokseen. SMEAR II –mittausasema valmistui 20 vuotta sitten ja sen jälkeen siellä on tehty merkittäviä havaintoja esimerkiksi siitä, miten metsä tuottaa aerosolihiukkasia ja miten ilmansaasteet vaikuttavat ilmastonmuutokseen.

Kulmala johtaa huippututkimusta

Yksi metsäasemalla usein vieraileva tutkija on Suomen Akatemian huippututkimusyksikön johtaja, akatemiaprofessori Markku Kulmala Helsingin yliopistosta (kuvassa alla).

Kulmalaa pidetään maailman johtavana ilmakehän aerosolien fysiikan ja kemian tutkijana. Jo muutamia vuosia hän on ollut oman tieteenalansa viitatuin tutkija. Hyytiälän SMEAR II -mittausasema on tärkeä osa huippututkimuksen yksikköä. Kulmalan vetämä huippututkimuksen yksikkö on hyvin poikkitieteellinen ja siihen kuuluu monia fyysikoita, kemistejä, metsäekologeja, meteorologeja ja insinöörejä.

Julkaisujen takana on Kulmalan mukaan yhä isompia ryhmittymiä. Esimerkiksi Science-lehden aerosolihiukkasten muodostumista käsitelleessä artikkelissa oli yli sata kirjoittajaa.

"Kaikki työ tehdään nykyään isolla porukalla", toteaa Kulmala.

Uusia laitteita on kehitettävä

Hyytiälän metsikössä edetään pitkospuita pitkin. Polun varrella ja alueen mittauspisteissä on kontteja täynnä mittalaitteita. Keskellä aluetta on 128 metriä korkea masto useine antureineen.

"Mittalaitteiden avulla saadaan selville ilmakehän UV-säteilyn muutoksia", kertoo Kulmala. "Yksi laite mittaa halkaisijaltaan 1-3 nanometrin aerosolihiukkasia, toinen jatkuvatoiminen laite monitoroi niiden koostumusta".

Hänen mukaansa uusien laitteiden kehittäminen on erittäin tärkeää. Niiden on oltava jatkuvatoimisia eli kyettävä antamaan reaaliaikaista tietoa eri prosesseista.

Yksikön hiukkastutkija Mikko Sipilä Helsingin yliopistosta on Kulmalan mukaan juuri saavuttanut huomattavia tuloksia työryhmänsä kanssa kehittämällään laitteella.

Uusi laite on selventänyt, mikä kemiallinen prosessi muuntaa metsän höyryt sellaisiksi, että ne muodostavat uusia aerosolihiukkasia ja kasvattavat niistä pilviä. Mekanismin löytyminen parantaa muun muassa ilmastomallien kykyä ennustaa tulevaisuuden ilmastoa.

Juho Aalto
Metsäekologi Juho Aalto Helsingin yliopistosta selvittää haihtuvien orgaanisten yhdisteiden päästöjä boreaalisista metsistä, erityisesti puista.

Puhdas ilma Kiinaan

Metsillä on Kulmalan mukaan erittäin tärkeä rooli ilmastonmuutoksen torjunnassa, koska ne toimivat tehokkaasti hiilinieluina.

"Ne ovat antaneet maapallolle lisäaikaa jo 40-50 vuotta. Nuori nopeasti kasvava metsä on parempi hiilinielu kuin ikimetsä, mutta vanhoja metsiä ei silti kannata vetää kerralla kumoon."

Yksi tärkeä tavoite on hänen mukaansa löytää takaisinkytkentöjä, jotka hidastavat ilmastonmuutosta tuoden lisäaikaa. Toinen tärkeä tavoite on osallistua Kiinan ilmanlaadun parantamiseen.

Kiinalaiset ovat olleet hyvin kiinnostuneita mittausasemasta. Hyytiälän SMEAR II –mittausaseman mallin mukaisia uusia asemia ollaan parhaillaan rakentamassa esimerkiksi Kiinaan ja Etelä-Viroon.

Kulmalan mukaan kiinalaiset haluaisivat kopioida koko aseman itselleen, mutta tutkijoiden tietotaidon siirtäminen ei onnistu niin vain.

Kiinaan rakennettava SMEAR II –kopio, monet tutkimuksesta alkunsa saaneet spinoff-yritykset ja Mikko Sipilän edistysaskeleet ovat kaikki esimerkkejä perustutkimuksen sovelluksista.

Kulmalan mielestä oli jo aikakin, että niitä syntyy.

"Olen tehnyt tätä tutkimusta järjestelmällisesti 30 vuotta. Viimeinkin se kantaa hedelmää."


    Akatemiaprofessori Markku Kulmalan vetämän Suomen Akatemian huippututkimusyksikön tärkeimpiä saavutuksia ovat:

  • Ilmakehän 1-3 nanometrin hiukkasten olemassa olon ennustaminen ja todentaminen
  • Metsien merkityksen selvittäminen ilmakehän aerosolihiukkasten syntymiselle
  • Uuden merkittävän ilmakehässä esiintyvän oxidantin löytäminen
  • SMEAR-asemien suunnittelu ja rakentaminen
  • Merkittävien ilmastonmuutosta hidastavien metsän ja ilmakehän takaisinkytkentöjen löytäminen
  • Uusien mittalaitteiden suunnittelu ja rakentaminen
  • Merkittävien laajojen kansainvälisten aloitteiden käynnistäminen, kuten PEEX (Pan Euraasian Experiment) ja ICOS-päämajan saaminen Suomeen

Otsikkokuva: Polku metsässä vie takana pilkottavaan ns. Hitumökkiin. Se on SMEAR II –aseman kaikkein kuuluisin rakennus. Se sisältää lukuisia mittalaitteita, joilla on selvitetty, miten metsä tuottaa aerosolihiukkasia. Kaikki kuvat: Marja Saarikko.

Fysiikan ja kemian Nobel-palkinnot 2014

Ke, 10/08/2014 - 13:46 Markus Hotakainen

Eilen julkistettiin fysiikan Nobel, tänään oli vuorossa kemianpalkinto: arvostetut palkinnot annettiin Led-valolle ja fluoresenssimikroskopialle.

Fysiikan Nobel-palkinto meni kolmelle japanilaiselle, Isamu Akasakille, Hiroshi Amanolle ja Shuji Nakamuralle. Virallisen tiedotteen mukaan palkinto myönnettiin "tehokkaiden sinisten ledien keksimisestä, mikä on tehnyt mahdolliseksi kirkkaat ja energiaa säästävät valkoisen valon lähteet".

Kemian palkinto puolestaan meni kahdelle amerikkalaiselle, Eric Betzigille ja William Moernerille, sekä saksalaiselle Stefan Hellille. Palkinto myönnettiin "huipputarkan fluoresenssimikroskopian kehittämisestä".

Japanilaistutkijoiden keksintö on käytännössä tuttu meille kaikille. Ledejä käytetään nykyisin niin kotien ja julkisten tilojen valaisimissa, mainostauluissa, taskulampuissa kuin erilaisissa merkkivaloissakin.

Akasaki, Amano ja Nakamura kehittivät sinisen ledin 1990-luvun alussa. Punaisia ja vihreitä ledejä oli ollut olemassa jo vuosikymmeniä, mutta vasta sinisen ledin kehittäminen teki mahdolliseksi energiatehokkaan teknologian soveltamisen valaistukseen. Kolmella erivärisellä ledillä saadaan nimittäin aikaan valkoista valoa.

Led-valaisimien teho on suuri ja virrankulutus pieni. Tekniikka kehittyy kaiken aikaa, mutta jo nyt tehokkaimmat led-lamput vastaavat wattia kohti antavalta valoteholtaan 16 tavallista hehkulamppua ja lähes 70 loisteputkea. Keksintö on merkittävä myös ympäristön ja luonnonvarojen kannalta. Noin neljännes maailman sähkönkulutuksesta menee valaistukseen, joten led-lamppujen energiansäästö on merkittävä tekijä.

Myös niiden valmistus säästää raaka-aineita. Siinä missä tavallinen hehkulamppu kestää noin tuhat tuntia ja loisteputki noin 10 000 tuntia, ledien kesto on parhaimmillaan jopa 100 000 tuntia. Vähäinen tehontarve mahdollistaa lisäksi valaistuksen kehittämisen seuduilla, joilla ei ole kunnollista tai lainkaan sähköverkkoa: led-lamppuihin voi tuottaa tarvittavan määrän sähköä yksinkertaisilla aurinkopaneeleilla.

Kemian Nobel-palkinnon saanut tutkimus liittyy sekin valoon. Optisen mikroskoopin erotuskyvylle asettaa rajoituksen valon aallonpituus: sillä on mahdoton erottaa rakenteita, joiden koko on alle puolet käytetyn valon aallonpituudesta.

Eric Betzig, William Moerner ja Stefan Hell ratkaisivat ongelman tahoillaan kahdella eri tavalla. Hell kehitti vuonna 2000 STED-mikroskopian (Stimulated Emission Depletion). Siinä käytetään kahta lasersädettä, joista toinen saa ensin fluoresoivat molekyylit hohtamaan, ja toinen kumoaa niiden lähettämän säteilyn lukuunottamatta nanometriluokassa olevista rakenteista tulevaa valoa.

Betzigin ja Moernerin toisistaan riippumattomasti kehittämässä menetelmässä yksittäisiä fluoresoivia molekyylejä "sytytetään" ja "sammutetaan" vuoron perään, jolloin yhdistämällä niistä otetut kuvat saadaan aikaan huipputarkka näkymä tarkasteltavaan kohteeseen.

Tällaisen nanoskopian avulla pystytään tarkastelemaan esimerkiksi solujen toimintaa molekyylitasolla. Yhtenä sovelluksena on seurata Parkinsonin, Alzheimerin ja Huntingtonin tauteihin liittyvää proteiinien kertymistä hermosoluihin.

Lisätietoa Nobelin tämänvuotisista fysiikanpalkinnoista löytyy täältä ja kemianpalkinnoista täältä.

Tiedetuubi käynnillä Shuji Nakamuran laboratoriossa:

Yhä kylmempää kyytiä

Ke, 10/01/2014 - 17:04 Markus Hotakainen

Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinnon NASAn Jet Propulsion Laboratoryssa on onnistuttu tuottamaan outoa ainetta. CAL-laitteella (Cold Atom Laboratory) jäähdytettiin atomeja niin alhaiseen lämpötilaan, että ne muodostivat Bosen-Einsteinin kondensaatin. Nimi ei sano välttämättä mitään eikä sillä arkimaailman ilmiöiden kannalta olekaan ihmeempää merkitystä.

Se on kuitenkin eräänlainen välitila mikro- ja makromaailman välillä. Ensimmäisen kerran vuonna 1995 aikaansaadussa Bosen-Einsteinin kondensaatissa atomit asettuvat samalle, alimmalle mahdolliselle energiatasolle, jolloin niiden muodostama makroskooppinen ainekasauma alkaa käyttäytyä kvanttimekaniikan lakien mukaisesti – kuin jättimäinen aalto (jolla ei myöskään ole mitään tekemistä järvissä ja merissä vellovien arkisten aaltojen kanssa).

CAL-laitteisto on prototyyppi, jolla testataan Kansainväliselle avaruusasemalle vuonna 2016 vietävää tekniikkaa. JPL:ssä saavutettiin nyt 200 nanokelvinin eli kelvinin kahdessadasmiljardisosan lämpötila. Kun CAL saadaan Maan kiertoradalla vallitsevaan mikrogravitaatioon, tutkijat odottavat pääsevänsä vielä matalampiin lämpötiloihin, jopa pikokelviniin eli triljoonasosakelviniin. Avaruusasemalle sijoitettu laitteisto olisi silloin koko maailmankaikkeuden kylmin paikka.

Näin alhaisissa lämpötiloissa voi tulla esiin uusia, aiemmin tuntemattomia kvantti-ilmiöitä, joiden tutkiminen liki painottomassa tilassa olisi helpompaa kuin maanpinnalla. Samalla olisi mahdollista tarkastella entistä yksityiskohtaisemmin fysiikan peruslakeja ja niihin liittyviä ilmiöitä. Lähellä absoluuttista nollapistettä perinteiset aineen olomuodot – kiinteä, nestemäinen, kaasumainen – menettävät merkityksensä, ja aineen käyttäytymistä hallitsevat kvanttimekaniikan lait.

CAL-laitteistolla päästään mataliin lämpötiloihin jäähdyttämällä rubidiumatomeja ensin laserien avulla. Sen jälkeen atomit vangitaan magneettiseen "loukkuun" ja niiden jäähdyttämistä jatketaan radiosäteilyllä. Radiotaajuuksilla säteily toimii kuin veitsi, joka leikkaa loukkuun jääneistä atomeista "kuumat" pois, jolloin jäljelle jäävät vain kaikkein kylmimmät. Prosessiin eli Bosen-Einsteinin kondensaatin tuottamiseen kuluu aikaa vain joitakin sekunteja.

CAL-laitteistosta ja sillä tehtävästä tutkimuksesta löytyy lisää tietoa laboratorion kotisivuilta.

Nanokulta lyö laudalta monta muuta materiaalia

Ti, 09/02/2014 - 11:25 Toimitus

Kultananohiukkaset ovat muutaman nanometrin kokoisia kulta-atomeista ja niihin kiinnittyneistä päällysteistä koostuvia rakenteita. Ne ovat eräs kuumimmista tutkimusaiheista nanoteknologiassa juuri nyt, ja niiden omituiseen olemukseen on perehtynyt myös tutkinut Tampereen teknillisen yliopiston Elena Heikkilä, jonka väitöstutkimus antaa uutta tietoa kultananohiukkasista sekä niiden vuorovaikutuksesta solujen kanssa.

Kultananohiukkaset ovat muutaman nanometrin kokoisia kulta-atomeista ja niihin kiinnittyneistä päällysteistä koostuvia rakenteita. Ne ovat eräs kuumimmista tutkimusaiheista nanoteknologiassa juuri nyt, ja niiden omituiseen olemukseen on perehtynyt myös tutkinut Tampereen teknillisen yliopiston <strong>Elena Heikkilä</strong>, jonka väitöstutkimus antaa uutta tietoa kultananohiukkasista sekä niiden vuorovaikutuksesta solujen kanssa. Heikkilä työskentelee tutkijana TTY:n fysiikan laitoksella materiaali- ja molekyylimallinnuksen tutkimusryhmässä.

Tavallisessa muodossan kulta ei ole erityisen aktiivinen aine, mutta sen ominaisuudet muuttuvat nanokoossa. Nanokullan kemialliset, katalyyttiset ja absorptio-ominaisuudet ovat ainutlaatuisia verrattuna moniin muihin alkuaineisiin. Tästä johtuen nanokultaa voidaan käyttää muun muassa lääkkeissä ja syöpähoidossa sekä lääketieteelliseen kuvantamiseen. 

"Kultananohiukkaset esimerkiksi absorboivat voimakkaasti säteilyä infrapuna-alueella",  kertoo Elena Heikkilä. "Jos ne kiinnitetään syöpäsoluihin, niitä voidaan kuumentaa laserilla, jolloin syöpäsolut tuhoutuvat."

Heikkilä on mallintanut väitöstyössään kultananohiukkasia molekyylidynamiikan simulaatioilla. 

"Mahdollisten terveyshaittojen vuoksi nanohiukkasten solutason vaikutusten kartoittaminen on tärkeää. Kun ymmärrys siitä kasvaa, voidaan nanomateriaaleja käyttää turvallisesti esimerkiksi lääketieteellisten innovaatioden kehittämisessä."

Erilaisia nanomateriaaleja käytetään jo yleisesti monenlaisissa arkipäiväisissä sovelluksissa, kuten elintarvikepakkauksissa, kosmetiikassa, maaleissa ja puhdistusaineissa. Siksi myös nanomateriaalien turvallisuus puhuttaa, sillä niiden haittoja ei tunneta vielä hyvin. Nanohiukkaset pääsevät tunkeutumaan pienen kokonsa ansiosta ihmisen elimistöön ihon, keuhkojen ja ruuansulatuselimistön kautta. Elimistöön päästessään ne kulkeutuvat kaikkialle kudoksiin ja sisäelimiin. On osoittautunut, että ainakin osa nanohiukkaista voi olla hyvinkin haitallisia. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on havaittu, että nanohiukkaset voivat aiheuttaa muun muassa solukuolemia, ja ne on yhdistetty moniin sairauksiin, kuten Alzheimerin tautiin.

Väitöskirjassaan Heikkilä esittää tulostensa perusteella mahdollisen mekanismin nanohiukkasten kulkeutumiselle soluihin ja selittää tekijöitä, jotka ovat solukalvojen toiminnan häiriintymisen taustalla. Tutkimuksesta käy muun muassa ilmi, että positiivisesti varatut nanohiukkaset ovat potentiaalisesti haitallisempia kuin negatiivisesti varatut, ja että sähköstaattiset voimat ovat tärkeässä osassa siinä, miten nanohiukkaset käyttäytyvät biologisessa ympäristössä. 

Artikkeli on käytännössä suoraan Tampereen teknillisen yliopiston 2.9. julkaistu tiedote.

LAGUNA etenee

Pe, 08/29/2014 - 14:19 Markus Hotakainen
Kuva Wladyslaw Trzaska

Neutriinojen tutkimukseen tarkoitetun uuden sukupolven ilmaisinlaitteiston LAGUNA‐LBNO (Large Apparatus studying Grand Unification and Neutrino Astrophysics - Long Baseline Neutrino Oscillations) suunnitelmat ovat valmistuneet. Kuusi vuotta kestänyt ja yli 130 henkilötyövuotta vaatinut suunnittelutyö on toteutettu Euroopan Komission tuella.

Selvitystyön kokonaiskustannukset ovat 17 miljoonaa euroa, josta EU:n suora tuki on 7 miljoonaa euroa ja loput 10 miljoonaa euroa on saatu hankkeeseen osallistuneiden 14 maan yliopistoilta ja muilta organisaatioilta. Suunnittelua ovat tukeneet myös Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERN ja astrohiukkasfysiikan eurooppalainen koordinaatiojärjestö ApPEC. Suomesta hankkeeseen ovat osallistuneet Helsingin, Jyväskylän ja Oulun yliopistot sekä teollisuuspartnerina Kalliosuunnittelu Oy Rockplan.

Neutriinoilmaisin on monipuolinen tutkimuslaite, jolla voidaan tarkastella luonnon pienimpien rakenneosasten ominaisuuksia ja käyttäytymistä. Laitteella voidaan esimerkiksi saada uudenlaista tietoa hiukkasten massojen synnystä neutriinojen oskillaatiota tutkimalla. Niin sanotussa pitkän lentomatkan oskillaatiokokeessa tutkitaan hiukkaskiihdyttimellä tuotettuja neutriinoja satojen, jopa tuhansien kilometrien päässä sijaitsevilla ilmaisimilla.

Tarkoituksena on myös yrittää selvittää, miksi maailmankaikkeudessa on ainetta mutta ei antiainetta, mitata Auringosta ja muulta avaruudesta tulevaa neutriinosäteilyä aikaisempaa herkemmällä ja tarkemmalla tekniikalla, ja tutkia ilmiöitä, joissa energia on paljon suurempi kuin maailman suurimmalla hiukkaskiihdyttimellä (CERNin LHC) voidaan saavuttaa.

Neutriinofysiikan tutkimus on laajentunut voimakkaasti viime vuosina, ja uusia mittauslaitteita on rakennettu ja on rakenteilla monia. LAGUNA‐LBNO on kaikista laitteistoista tieteelliseltä suorituskyvyltään edistynein.

Valmistuneen selvityksen perusteella uuden neutriinoilmaisimen paras sijoituspaikka Euroopassa on Pyhäsalmen kaivos. Tarkastelussa oli mukana kaikkiaan seitsemän vaihtoehtoista sijoituspaikkaa eri puolilla Eurooppaa. Neutriinoilmaisin on rakennettava mahdollisimman syvälle maan alle, jotta vältytään luonnon harvinaisimpien ja vaikeimmin havaittavien ilmiöiden mittauksia haittaavalta häiriösäteilyltä.

Pyhäsalmen kaivos on 1400 metriä syvä ja yksi syvimmistä paikoista Euroopassa. Sen etuja ovat oskillaatiomittausten kannalta ihanteellinen etäisyys CERNistä, kaivoksen hyvä infrastruktuuri, hyvät liikenneyhteydet, kenttätutkimuksilla varmistettu kallion rakennettavuus ja monet toiminnalliset edut.

Myös tuonnempana rakennettavaksi suunnitellulle ”neutriinotehtaalle” Pyhäsalmen kaivoksen on todettu olevan sijainniltaan ja olosuhteiltaan potentiaalinen ilmaisinlaitteiston sijoituspaikka. Tieteelliset hankkeet tuovat kaivokselle ja sen erinomaisessa kunnossa olevalle infrastruktuurille toivottua uusiokäyttöä. Suunnitellut kokeet toimivat usean vuosikymmenen ajan.

LAGUNA‐LBNO‐ilmaisimessa on ilmaisinaineena 20 000 tonnia nesteytettyä argon‐kaasua. Laitteiston kustannusarvio on 226 miljoonaa euroa ja arvioitu rakennusaika kahdeksan vuotta. Ennen tätä lopullista laitetta Pyhäsalmeen kaivokseen suunnitellaan rakennettavaksi pienempi pilottilaite. Sen kustannusarvio on 50 miljoonaa euroa ja arvioitu rakennusaika neljä vuotta.

Tehtyjen vaikuttavuusselvitysten mukaan hankkeella on toteutuessaan paljon myönteisiä vaikutuksia liike‐elämälle, tutkimukselle ja työllisyydelle. Se myös merkitsisi merkittäviä ulkomaisia investointeja Suomeen, kuten esimerkit saman kokoluokan hankkeista Argentiinassa, Chilessä ja Italiassa osoittavat.

Projekti tarjoaa Suomelle ainutlaatuisen mahdollisuuden vahvistaa kansainvälistä asemaansa ja näkyvyyttään huippututkimukseen panostavana maana. Suomen Akatemian hiljattain toteuttamassa Suomen fysiikan tutkimuksen arvioinnissa kansainvälinen arviointipaneeli toteaa LAGUNA‐hankkeen tarjoavan uuden ja positiivisen etenemistien hiukkasfysiikan tutkimukselle Suomessa. Se myös suosittelee maanalaisen tutkimuskeskuksen luomista Pyhäsalmen kaivokseen.

LAGUNA-hankkeesta kerrottiin Tiedetuubissa viime syksynä, myös videonmuodossa.

Uutinen perustuu Oulun yliopiston tiedotteeseen.

Seeprakala aivosimulaattorissa

Ke, 08/27/2014 - 20:11 Toimitus
Seeprakala

Seeprakalat pelaamassa tietokonepeliä tieteen nimissä? Tällaista puuhataan Harvardin yliopistossa, jossa neurotieteen professori Florian Engert tutkii ryhmineen seeprakalojen aivotoimintaa.

Professori Engert opetti elokuussa Neurotieteen tutkimuskeskuksen ja Aivot ja mieli -tohtoriohjelman järjestämällä seeprakalakurssilla.

Tutkimuksessa seeprakalalle näytetään virtuaalista maailmaa. Kala siis kuvittelee uivansa todellisessa ympäristössään, vaikka todellisuudessa se pysyy paikallaan.

"Kalat ovat eräänlaisessa yhden hengen lentosimulaattorissa, ja pyrstö toimii niiden peliohjaimena", kertoo Engert.

Erityistä tutkimusasetelmassa on se, että siinä voidaan mitata seeprakalan koko aivotoiminta lähes aidossa tilanteessa. Tämä on mahdollista, sillä seeprakala on lähes läpinäkyvä.

"Kalan pää on kuin ikkuna, josta on suora näkymä millimetrin mittaisiin aivoihin. Nykyiset optiset laitteet pystyvät mittaamaan kalan koko aivotoiminnan".

Seeprakalan tutkiessa virtuaalista ympäristöään mittaavat optiset laitteet sen eri aivoalueiden aktivoitumista. Laitteet tallentavat kalan aivotoiminnan, jonka tutkijat analysoivat myöhemmin.

Engertillä on suunnitelmissa lisätä pelillisiä ominaisuuksia seeprakalojen tutkimukseen: "Olemme ajatelleet lisätä virtuaaliseen ympäristöön myös erilaisia objekteja, joita kalat voisivat jahdata. Voisimme tutkia sitä, mitä kalojen aivoissa tapahtuu, kun ne saalistavat."

Seeprakalat ovat tuttuja myös kotiakvaarioista. Luonnossa niitä on Kaakkois-Aasiassa, erityisesti Intian riisipeltojen ojissa ja lammikoissa, joissa vesi virtaa hitaasti.

Kehitysbiologit toivat seeprakalat ensimmäisinä tutkimuslaboratorioihin. Esimerkiksi yksilön kehitystä on pystytty tutkimaan kalan läpinäkyvyyden ansiosta. Pian muillakin aloilla huomattiin, miten helppoa on tutkia eläintä, jonka elimet näkyvät ihon läpi.

Ihan kaikkeen seeprakalat eivät taivu, sen sai Engert huomata yrittäessään tutkia seeprakalojen kestomuistia.

"On kuitenkin myytti, että kalat eivät oppisi mitään", kuittaa Engert, ja kehuu tutkimuskohteitaan itse asiassa viisaiksi eläimiksi.

Lue lisää: Yliopisto-lehti 1/2011: Seeprakalan aivot »

Juttu on lähes sellaisenaan Helsingin yliopiston verkkotoimituksen julkaisema artikkeli Aivot kuin ikkuna, jonka on kirjoittanut Tiina Palomäki.

Tutkijat mittasivat yksittäisen molekyylin värähtelyn

Ma, 08/25/2014 - 07:59 Markus Hotakainen
Kaavakuva tutkitusta molekyylistä ja sen kultaisesta nanoantennista (mittakaava ei ole oikea). Nanopartikkelien vuorovaikutus valon kanssa muodostaa hiukkasten välille sähkökentän, joka vahvistaa säteilyä ja mahdollistaa yksittäisten molekyylien havaitsemisen. Oikealla transmissioelektronimikroskooppikuva tutkitusta rakenteesta.

Kemistit ovat ensimmäisen kerran onnistuneet mittaamaan yksittäisen molekyylin värähtelyn eli niin sanotun molekylaarisen hengityksen. Tutkimus paljastaa, miten yhden molekyylin värähtely poikkeaa molekyylijoukkojen käyttäytymisestä. Samalla kehitettiin uusi menetelmä yksittäismolekyylien tunnistamiseen.

Tutkimus tehtiin Kalifornian yliopistossa Irvinessä. Jyväskylän yliopiston tutkijatohtori Eero Hulkko työskentelee siellä vierailevana tutkijana projektiin osallistuneessa ryhmässä, jota johtaa professori Vartkess A. Apkarian. Toista mukana ollutta ryhmää johti professori Eric O. Potma. Tutkimustulokset on julkaistu Nature Photonics -lehden elokuun numeron kansikuva-artikkelina.

Tutkijat hyödynsivät yksittäismolekyylimittauksessaan erittäin lyhyitä näkyvän valon alueen laserpulsseja. Yksinkertaisen orgaanisen bipyridiinietyleeni- eli BPE-molekyylin värähtelyliikkeen seuraaminen oli mahdollista valopulssien sironnan avulla. Menetelmää kutsutaan aika-erotteiseksi koherentiksi anti-Stokes-Raman-sironnaksi (tr-CARS). Se on ultranopea epälineaarinen spektroskooppinen tekniikka.

Kultaiset nanoantennit apuna

Yksittäisen BPE-molekyylin värähtelyn havaitsemiseen käytettiin "plasmonisia nanoantenneja". Ne muodostuvat kahdesta noin 90 nanometrin kokoisesta kultananopartikkelista (nanometri on metrin miljardisosa). Nanoantennit vahvistavat yksittäisen molekyylin lähettämän säteilyn havaittavalle tasolle.

– Yksittäisen molekyylin havaitseminen valon sironnan avulla on erittäin vaikeaa. Siksi tarvitsemme hieman apua signaalin vahvistamiseen, tutkimukseen osallistunut tohtori Hulkko kertoo.

Nanopartikkelien vahvistusilmiö on hyvin tunnettu kirjallisuudessa. Ilmiötä hyödynnetään erilaisissa spektroskooppisissa tekniikoissa, kuten esimerkiksi pintavahvistetussa Raman-spektroskopiassa (SERS), jonka avulla yksittäisiä molekyylejä pystytään havaitsemaan rutiininomaisesti.

Yksittäisen molekyylin värähtelyliike on puhtaasti kvanttimekaanista. Jotta värähdysliike voitaisiin havaita käytetyllä menetelmällä, molekyylin täytyy olla vähintään kahdessa kvanttimekaanisessa värähdystilassa samanaikaisesti. Tätä kutsutaan kvanttimekaniikassa aaltopaketiksi, jossa värähdysten vaiheiden välillä vallitsee korrelaatio. Molekyylijoukoissa värähdysten välinen korrelaatio häviää yleensä suhteellisen nopeasti. Ilmiötä kutsutaan epävaiheistumiseksi.

Epävaiheistumisen puuttumista ei ole ennen todettu

Tutkijat onnistuivat laserpulssien avulla luomaan yksittäisen molekyylin värähdystiloista muodostuneen aaltopaketin ja seuraamaan sen kehitystä 10 pikosekunnin ajan (pikosekunti = 10 potenssiin -12 sekuntia). Värähdysaaltopaketin liike vastaa molekyylin todellista värähdysliikettä eli molekulaarista “hengitystä”.

Kokeet näyttivät, että yksittäisen molekyylin värähdykset eivät menettäneet vaihekorrelaatiotaan. Tutkijat onnistuivat simulaatioiden avulla selittämään havainnot ja osoittamaan, että niin kutsuttu puhdas epävaiheistuminen on molekyylijoukkojen ominaisuus. Epävaiheistumisen puuttuminen yksittäisissä molekyyleissä on hyvin perustavaa laatua oleva havainto, jota ei ole ennen tunnettu.

– Yksittäisen molekyylin hengityksen näkeminen tuo meidät askeleen lähemmäs sitä, että näemme todellisen kemian toiminnassa yksittäisten molekyylien tasolla, professori Apkarian ennustaa.

Koherentin ultranopean spektroskopian demonstrointi yksittäismolekyylitasolla eli kyky luoda, manipuloida ja mitata yhden molekyylin kvanttitiloja avaa uusia mahdollisuuksia kvanttilaskentaan ja kvantti-informaation siirtoon.

Molekyylien yksittäisluonne tarkoittaa sitä, että havainnoidaan yksittäisiä fotoneja. Tulokset mahdollistavat siksi aivan uusia tutkimusmahdollisuuksia ja sovelluksia yksittäismolekyylifotoniikassa, kuten esimerkiksi yksittäisten, halutussa vaiheessa olevien fotonien tuottamisen.

Uutinen perustuu Jyväskylän yliopiston tiedotteeseen.