Ihmiskehossa, siis meissä jokaisessa, on noin 0,2 milligrammaa kultaa.

Kymmenen kärjessä alkuaineista ihmisen koostumuksessa ovat (massa 70-kiloisesta ihmisestä):

Happi 43 kg
Hiili 16 kg
Vety 62 kg
Typpi 1,8 kg
Kalsium 1,0 kg
Fosfori 0,78 kg
Kalium 0,033 kg
Rikki 0,038 kg
Natrium 0,037 kg

Tutkimuksen kohteena olevilla nanometrien kokoisilla kultapartikkeleilla on mielenkiintoisia sovelluskohteita esimerkiksi katalyytteinä, sensoreina, lääkeaineen kuljettimina ja molekyylielektroniikan komponentteina. Näissä partikkeleissa on kullasta koostuva ydinosa, jonka pinnalla on suojamolekyylien kerros. Suojakerros koostuu ns. ligandimolekyyleistä, jotka ovat tavallisimmin rikkiä ja orgaanista hiiltä sisältäviä tiolimolekyylejä, joiden rikkipää sitoutuu kemiallisesti kultaan.

Pintaa suojaavasta molekyylikerroksesta on kuitenkin ollut erittäin haastavaa saada tarkkaa rakenneinformaatiota.

Tähän asti lähes kaikki tieto partikkelien rakenteista on perustunut kiinteässä olomuodossa kiteeseen pakkautuneiden partikkelien rakenneanalyysiin röntgenkristallografian menetelmien avulla, mutta nyt julkaistussa tutkimuksessa selvitettiin aiemmin valmistetun kulta-102 -partikkelin ligandikerroksen rakenne ja dynamiikka vesiympäristössä käyttäen useiden eri menetelmien yhdistelmää.

Kokeellinen perustieto saatiin ydinmagneettiseen resonanssiin perustuvasta spektroskopiamenetelmästä, jolla saatua informaatiota tulkittiin tiheysfunktionaaliteoriaan ja molekyylidynamiikkamenetelmään perustuvien simulaatioiden avulla. Au102-partikkelista on aiemmin julkaistu kiinteän olomuodon atomirakenne, mitä apuna käyttäen voitiin tehdä lopullinen magneettiresonanssimittauksen tulkinta.

Tuloksena saatu mallinnoskuva Au102-nanopartikkelin kiderakenteesta on otsikkokuvana. 

Tätä kultapartikkelimateriaalia on käytetty aiemminkin Jyväskylän Nanotiedekeskuksessa muun muassa virusten pintarakenteiden tutkimiseen.

”Kun tiedämme nyt tarkasti, kuinka Au102-partikellin ligandikerros käyttäytyy vedessä, voimme ymmärtää paljon paremmin sitä, miten partikkeli vuorovaikuttaa biologisen materiaalin kanssa", kuvailee tutkimusta johtanut akatemiaprofessori Hannu Häkkinen Nanotiedekeskuksesta.

Tutkimuksessa olivat mukana myös Kirsi Salorinne, Sami Malola ja Xi Chen Jyväskylän yliopistosta sekä O. Andrea Wong, Christopher D. Rithner ja Christopher J. Ackerson Coloradon osavaltion yliopistosta.

Tutkimus julkaistiin Nature Communications -sarjassa 21.1.2016.

Suomen osuus on tehty Suomen Akatemian rahoituksella ja tutkimuksen laskennallinen osuus tehtiin Tieteen tietotekniikan keskuksen tarjoamilla superkoneresursseilla.

Artikkeli perustuu Suomen Akatemian lähettämään tiedotteeseen.

Mitä tapahtuu, kun kulta-atomit törmäävät toisiinsa lähes valon nopeudella? Syntyy plasmaa, joka muistuttaa maailmankaikkeuden alkuhetkien hiukkaspuuroa.

Raskaiden atomien nokkakolaroidessa hyvin suurella nopeudella aine hajoaa osasikseen ja hetken aikaa joka suuntaan sinkoaa hiukkasia, jotka pian pirstoutuvat edelleen uusiksi hiukkasiksi.

Rekisteröimällä lukemattomia törmäyksiä ja niissä syntyneiden hiukkasten ominaisuuksia tutkijat pääsevät tunkeutumaan yhä syvemmälle niin aineen kuin universuminkin salaisuuksiin.

Hiukkaskosmologia on tieteenala, joka yhdistää kaikkein pienimmän kaikkein suurimpaan: aineen perusosaset koko kosmokseen.

"Kartta" kultatörmäyksestä on tuotettu Solenoidal Tracker eli STAR-ilmaisimella Brookhavenin kansallisen laboratorion RHIC-kiihdyttimessä (Relativistic Heavy Ion Collider). 

Kuva: Brookhaven National Laboratory

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.