Kosmiset säteet auttavat pohjavesien suojelussa

Oulun yliopiston tutkijat ovat kehittäneet kosmista säteilyä hyödyntävän mittausmenetelmän, jonka avulla voidaan löytää ja suojella maapallon arvokkaita pohjavesivarantoja. Mittausteknologiaa kehitetään kovaa vauhtia kansainvälisten vesivoimaviranomaisten ja vesitoimijoiden käyttöön, sillä kuivuus ja puhtaan veden puute ovat suuri ongelma eri puolilla maapalloa.

Keksintö on peräisin Oulun yliopiston Kerttu Saalasti -instituutin maanalaisfysiikan tutkimusryhmän vuonna 2003 alkaneessa EMMA-kokeessa, jossa tutkitaan kosmisten säteiden ominaisuuksia ja toimintaa.

Ryhmä mittasi vaikeasti havaittavien myonihiukkasten kulkua kallioperässä ja oivalsi, että niiden avulla on mahdollista havaita tiheyden muutoksia maa- ja kallioperässä; mitä harvempaa ainesta, kuten vettä, sitä enemmän myoneja kulkee aineksen läpi.     

Myonihiukkasten dynamiikka ei ole uusi juttu, mutta kosmisten hiukkasten mittaus- ja laskentateknologian kehittäminen sekä sen soveltaminen geologisiin maa- ja kallioperätutkimuksiin on ainutlaatuinen askel.

Tutkijat innostuivat asiasta niin, että perustivat yhdessä eri alojen asiantuntijoiden kanssa Muon Solutions Oy:n, joka kehitti seuraavaksi monitorointilaitteiston prototyypin.

Laitteiston herkkä mittausanturi lasketaan maaperään kairanreiästä. Laitteisto keilaa ja mittaa laajalla alueella myonihiukkasten kulkua maa- ja kallioperässä kartiomaisesti alhaalta ylös jopa kilometrin syvyydestä saakka. Mittauksen tuloksena syntyy röntgenkuvamainen esitys maa- ja kallioperän laadusta ja rakenteista tiheyseroineen.

Enää ei siis tarvitse olla kairattujen maa- ja kallioperänäytteiden varassa.

Saa selville muitakin maaperän salaisuuksia

Maanalaisfysiikan tutkimusryhmän jäsen projektitutkija Jari Joutsenvaara kertoo, että mittausmenetelmää voidaan soveltaa monipuolisesti maa- ja kallioperän analysoinnissa.

"Myonimonitorilla voidaan kartoittaa tai tunnistaa myös kallioperän malmiaineksia. Menetelmä on tässä tarkoituksessa erittäin ekologinen ja taloudellinen", Joutsenvaara toteaa.

Mittausmenetelmän kehittämistä jatketaan innovaation pohjalta perustetun yrityksen toimesta. Yritysyhteistyö mahdollistaa kehitystyön pitkäjänteisyyden sekä tuotteen kaupallistamisen.

Kuin tilauksesta tutkijoille tuli samaan aikaan mahdollisuus osallistua valtakunnalliseen keksintökilpailuun Helsinki Challengeen 2017. Kilpailun kautta he ovat saaneet apua ja tukea eri alojen asiantuntijoilta.

"Olemme saaneet arvokasta ammattilaisten tukea menetelmän ja laitteiston liiketoiminnallistamiseksi, oikeiden kontaktien löytämiseksi ja ideoidemme testaamiseksi", kertoo Oulun yliopistossa tutkijana työskennellyt ja nykyisin Muon Solutions -yrityksen toimitusjohtajana toimiva Marko Aittola.

Helsinki Challenge -ideakilpailussa Myonit -nimellä esiintyvä tiimi täydensi kilpailua varten omaa osaamistaan Jyväskylän yliopistosta.

Kyseessä on on Suomen yliopistojen tiedepohjainen idea- ja kiihdyttämökilpailu, jossa haetaan ratkaisuja maailman suuriin haasteisiin ja tulevaisuuden hyvinvoinnin rakentamiseen.

Myonit -tiimiin kuuluu hiukkasfyysikkoja Oulun ja Jyväskylän yliopistosta sekä geologian, elektroniikan ja yritystoiminnan osaajia Muon Solutionsin puolelta. 

Vuonna 2003 alkanut EMMA-koe on antanut tietoa korkeaenergisten myonihiukkasten käyttäytymisestä ja kuinka niitä on mahdollista mitata. Koe piti tehdä 75 metriä paksun kalliokerroksen alla Pyhäsalmen kaivoksessa, jotta kaikki muut varatut hiukkaset voitiin suodattaa pois mittauksesta. 

Monitoroinnilla seurataan, ettei pohjavesivarantoja kuluteta liikaa

Puhtaan veden puute on globaaliongelma, joka pahenee ilmastonmuutoksen edetessä. Kuivuudesta kärsivät ennen kaikkea köyhien maiden sadat miljoonat ihmiset, mutta myös teollisuusmaat ovat riippuvaisia pohjavesistään ja niiden kestävästä käytöstä.

Myonit -tiimi on mukana Helsinki ratkaisumalli maailman pohjavesivarantojen kartoittamisesta ja suojelemisesta sopii erinomaisesti kilpailun tavoitteisiin.

"Myonimonitorilla on mahdollista paitsi löytää uusia vesivarantoja myös seurata, ettei vettä kuluteta liikaa, vaan että varantojen uusiutuminen on kestävällä pohjalla. Uudella tekniikalla monitorointi on kokonaisvaltaisempaa ja tehokkaampaa kuin koskaan aikaisemmin", toteaa Joutsenvaara.

 

Juttu perustuu Oulun yliopiston tiedotteeseen, jonka on kirjoittanut Tapio Mäkinen.

 

Video: Mikä ihme on optinen kärpäsloukku, joka auttaa pehmeiden mikrorobottien kehityksessä?

Video: Mikä ihme on optinen kärpäsloukku, joka auttaa pehmeiden mikrorobottien kehityksessä?

Valon avulla liikuteltavat materiaalit kehittyvät Tampereen teknillisen yliopiston Smart Photonic Materials -tutkimusryhmän käsissä kovaa vauhtia.

24.05.2017

Ryhmän tutkimus kärpäsloukun idealla toimivasta optisesta polymeerikourasta julkaistiin Nature Communications -lehdessä. Tutkimus avaa uusia mahdollisuuksia pehmeiden mikrorobottien kehityksessä.

Kärpäsloukku on lihansyöjäkasvi, joka nappaa pieniä hyönteisiä lehtiensä avulla.

TTY:n Smart Photonic Materials -tutkimusryhmän optinen polymeerikoura on tähän mennessä lähimmäksi samaa luonnon älyä pääsevä pehmorobotti. Se on ensimmäinen autonominen valo-ohjautuva laite, joka pystyy tunnistamaan esineitä.

"Kärpäsloukku-kasvi on avoinna ja odottaa, että hyönteinen laskeutuu sen kitaan", tutkimusryhmää johtava Arri Priimägi TTY:n kemian ja biotekniikan laboratoriosta kertoo.

"Se osaa erottaa, onko sen pinnalla pölyhiukkanen vai hyönteinen – vain hyönteinen saa kasvin sulkeutumaan. Samaan pyrimme omassa 'kärpäsloukussamme'”-

Kärpäsloukun matkimisen mahdollistavat nestekide-elastomeerit, joiden muotoa voidaan muuttaa valon avulla. Nyt julkaistussa tutkimuksessa esitelty optinen kärpäsloukku on alle sentin mittainen elastomeeriliuska. Se on kiinnitetty valokuituun, johon on kytketty sinistä valoa.  

Kun jokin elastomeerin alle osuvista kappaleista heijastaa valoa takaisin sopivalla tavalla, se napsauttaa kärpäsloukun tavoin itsensä kappaleen ympärille, maholistaen esimerkiksi kappaleiden hallitun siirtelyn paikasta toiseen. Nostovoimaa on monisatakertaisesti omaan painoon nähden.

”Tunnuslauseemme on ollut 'Let’s make it smart'. Selvitämme, miten elastomeeri osaisi liikkeen lisäksi esimerkiksi tunnistaa objekteja ja valita niistä oikean. Seuraavaksi haluamme opettaa kärpäsloukkumme tunnistamaan värejä."

Valolla ohjattavat elastomeerit ovat niin uudenlainen lähestymistapa robotiikkaan, että uutta ajateltavaa niin perustutkimuksen kuin sovellustenkin suhteen tulee jatkuvasti.

"Sovelluksia tällaiselle optiselle kärpäsloukulle saattaisi tulevaisuudessa olla vaikkapa tuotantolinjalla, josta se osaisi poimia vialliset tuotteet pois, mutta ensin pitää oppia tuntemaan laitteemme mahdollisuudet ja rajoitteet", Priimägi kertoo.

ERC-rahoituksella tehty tutkimus julkaistaan 23.5.2017 arvostetussa Nature Communications -julkaisussa. Se on avoin julkaisu, ja Smart Photonic Materials -ryhmän artikkeliin pääsee tutustumaan sen ilmestyttyä osoitteessa http://nature.com/articles/doi:10.1038/ncomms15546

Artikkeli on TTY:n tiedote lähes sellaisenaan, video on tutkimusryhmältä.

Martti ja Marilyn liikenteessä Tampereella

Robottiauto Martti

Suomen ensimmäinen kokeiluluvan tieliikenteeseen saanut robottiauto Marilyn ja tuoreempi puolisonsa Martti ovat yhdessä siirtyneet seuraavalle tasolle, lähteneet julkisesti liikenteeseen ja alkaneet seurustella. Ne vaihtavat kuulumisia ajoympäristönsä kanssa ja alkavat puhua syksyllä myös julkisen digitaalisen infran kanssa.

VTT:n kehittämät robottiautot Martti ja Marilyn kuulevat, näkevät ja aistivat.

Ne kykenevät seuraamaan ohjelmoitua reittiä ja välttämään yllättäviin esteisiin törmäämistä ilman kuljettajan apua. Toistaiseksi autot vaativat, että kaistaviivat tai tien reunat näkyvät.

Tämä on kuitenkin vasta ensimmäinen askel, mutta vuoteen 2020 mennessä liikutaan jo vaativammissa olosuhteissa sora- ja lumipeitteisillä teillä.

"Automaattisen ajoon tarvittavia laitteita on autoissamme tarpeeksi ja nyt niistä otetaan ohjelmistoteknisesti kaikki irti askel kerrallaan. Haasteita on pieniä ja isoja, mutta niitä me rakastamme", sanoo projektipäällikkö Matti Kutila VTT:ltä.

Robottiautoista löytyy lämpökamera ihmisten ja eläinten havainnointiin. Stereokamera ja tutka lähialueen tarkkailuun korkealla resoluutiolla. Laserskannerit ja pitkän kantaman tutkat kaukonäköön sekä GPS/Glonass-vastaanottimet paikannukseen.

Lisäksi autoissa on inertiayksikkö suunnan ja kiihtyvyyksien määrittämiseen. Toimilaitteina on sylintereitä ja moottoreita. Anturit ja toimilaitteet yhdistää älykkyys, joka muodostaa tilannekuvan ja ohjaa niitä siten, että auto liikkuu suunnitellulla tavalla millisekuntien ja senttimetrien tarkkuudella.

"Robottiautojen kommunikointikanava on auki, mutta viestit eivät noudata täydellisesti vielä standardeja. Syksyllä autot vaihtavat keskenään tietoa standardissa moodissa ja silloin muidenkin on mahdollista keskustella niiden kanssa", Kutila kertoo.

Autoja on tällä haavaa tutkimuskäytössä kaksi: vanhan Citroënin pohjalta tehty, ennen kaikkea kaupunkiajoa testaava Marilyn, ja uudempiMartti, joka on vaikeissa olosuhteissa ajoa tutkiva Volkswagen.

Robottiauto Marilyn on jo vanha tuttu Tiedetuubia seuranneille: video sen ajeluista on täällä.

"Suuret asiat nähdään 2021"

Seuraavaksi VTT:n robottiautoihin vaihdetaan Kutilan mukaan optisten komponenttien aallonpituuksia ja lisätään tutkan resoluutiota sekä rakennetaan lisää älykkyyttä ohjelmistoon, joka haistelee anturien kyvykkyyttä. Näin pyritään osaltaan taklaamaan vaativia sääoloja, kuten liukasta tienpintaa, peittynyttä tienreunaa tai sumua.

Robottiautojen kehityksessä lisätään pikkuhiljaa skenaarioita (kaupunkia, kantatietä, lunta, exit-ramppia), joista auto suoriutuu, sekä kasvatetaan ajonopeuksia ja hallitaan älykkyydellä vaikeita keliolosuhteita. 

"Tällä hetkellä liikenteen robotisaatio on yleisestikin ottaen vielä alkumetreillä – suuret asiat nähdään vuonna 2021 ja sen jälkeen. Tämä on eräänlainen 'never ending story'. Varmaa on, että koodirivien määrä autossa kasvaa räjähdysmäisesti tulevina vuosina - nyt puhumme ehkä 3000 rivistä", Kutila arvioi. 

Robotiikka tulee myös kuorma- ja linja-autoihin, mutta eri muodossa. Sen sijaan työkoneet kulkevat tietyllä tavalla robotisaatiokehityksen eturintamassa. Niiden työalueeseen voidaan tehdä rajoitteita, jotka helpottavat automatisointia. Liikenteessä rajoitteiden tekeminen ei ole yhtä helppoa.

Turvallisuus ja kyberuhkat tulevat mukaan entistä vahvemmin, kun ajoneuvojen IoT eli esineiden internet ja tietoverkot etenevät. Täysin luotettavasti toimivan ja ympäristöään havainnoivan auton kehittämiseen tarvitaan vielä paljon työtä. 

"Se, mitä autoissa on tänään, ei ole syntynyt puolessa vuodessa, vaan on yli 20 vuoden työn tulos", Kutila muistuttaa.

Teknologian tutkimuskeskus VTT tekee yhteistyötä myös maailmanluokan brändien, kuten Daimlerin, Fiatin, Renaultin, VW:n, Boschin ja Autolivin kanssa. Suomalaisista kumppaneista useissa kehityshankkeissa ovat mukana muun muassa LinkMotion, Tieto, TTS, Taiple Telematics, Unikie, Vaisala, Oplatek ja Modulight.

Juttu perustuu VTT:n tiedotteeseen.

Video: Tällainen möhkäle on tulevaisuuden tietokoneiden kvanttiprosessori

Video: Tällainen möhkäle on tulevaisuuden tietokoneiden kvanttiprosessori

Tulevaisuuden kokonaan uudenlaisten tietokoneiden kehityksessä on otettu suuri, mutta samalla superpieni harppaus eteenpäin: näiden tietokoneiden tekemisessä hyvin aktiivinen IBM julkisti tänään 16 ja 17 kubitin kvanttiprosessorinsa.

18.05.2017

Tehokkaampi 17 kubitin prosessori on ensimmäinen prototyyppi tulevasta kaupallisesta kvanttiprosessorista. 16 kubittinen versio puolestaan palvelee sovelluskehittäjiä, tutkijoita ja alan harrastajia uusien innovaatioiden kehittämiseksi. 

Kvanttitietokoneet käyttävät hyväkseen atomien kvanttitilojen superpositiota, eli "normaalien" tietokoneiden bittien – jotka voivat olla yksi tai nolla – sijaan kvanttilaskennassa käytetään ns. kubittejä. Yksi kubitti voi sisältää joko ykkösen, nollan tai niiden superposition. 

Teoriassa kvanttitietokoneet voisivat toimia paljon nykytietokoneita nopeammin,  mutta niiden tekeminen on osoittautunut hankalaksi, koska niiden toiminnassa hyödynnetään todennäköisyyslaskentaa ja sen valjastaminen rutiinikäyttöön on vaikeaa. 

IBM:n lisäksi pitkällä kvanttitietokoneiden tekemisessä on kanadalainen D-Wave Systems ja Google, joka on tosin vasta luvannut julkistaa oman tekniikkansa myöhemmin tänä vuonna. 

Tämän ensimmäisen kaupallisen kvanttiprosessoriprototyypin sisuksista löytyy 17 kubittia, joukko arkkitehtuurisia ja teknisiä parannuksia. 

Kvanttiprosessori sisältä

Kvanttitietojenkäsittely mahdollistaa tulevaisuudessa sellaisten ongelmien ratkaisun, joihin tämän päivän perinteiset supertietokoneet eivät kykene.

Erityisen vahvoilla uudet kvanttitietokoneet ovat muun muassa liiketoiminnan optimoinnissa, kemian tutkimuksessa, materiaalitieteissä, kognitiivisessa tietojenkäsittelyssä ja pilviympäristöjen tietoturvassa.

Kvanttitietokoneen avulla voitaisiin esimerkiksi ratkaista monimutkaisia toimitusketjuihin, logistiikkaan, riskien hallintaan ja finanssidataan liittyviä optimointihaasteita. Kemistit pystyisivät simuloimaan paremmin vielä selvittämättömiä molekyylitason kysymyksiä tai löytämään tapoja yhdistää kemikaaleja aivan uudella tavalla. Näin voitaisiin kehittää täysin uusia materiaaleja. Kvanttiteknologian avulla salausmenetelmät saadaan aivan uudelle tasolle ja se tekee mahdolliseksi esimerkiksi koneoppimisen entistä tehokkaamman hyödyntämisen.

IBM avasi noin vuosi sitten kvanttiteknologiaa hyödyntävän IBM Quantum Experience -pilviympäristön, jonka avulla käyttäjät pääsivät ensimmäistä kertaa hyödyntämään ja testaamaan kvanttiprosessorin tarjoamia mahdollisuuksia.

Tuolloin esitelty IBM:n kvanttiprosessori koostui viidestä suprajohtavasta kubitista. Nyt julkistettu uusi versio sisältää 16 kubittia, joka mahdollistaa aiempaa vaativammat kokeet ja simulaatiot.

Tutkijat, sovelluskehittäjät ja alan harrastajat pääsevät IBM Quantum Experience -pilviympäristössä testaamaan millaisia innovaatioita uusi prosessori mahdollistaa. Käyttäjät voivat ajaa ympäristössä algoritmejä, tehdä kokeita ja simulaatioita tai perehtyä kubittien toimintaan.

Ohjelmistokehityksen työkalut ovat saatavilla GitHub-sivustolta https://github.com/IBM/qiskit-sdk-py.

Video on IBM:n tuottama ja artikkeli perustuu yhtiön tiedotteeseen.

Video: näin kvanttitietokonetta voidaan jäähdyttää

Video: näin kvanttitietokonetta voidaan jäähdyttää

Maailmanlaajuinen kilpajuoksu kohti toimivaa kvanttitietokonetta kiihtyy. Kvanttitietokoneella pystymme tulevaisuudessa ratkomaan muuten mahdottomia ongelmia ja kehittämään esimerkiksi monimutkaisia lääkkeitä, lannoitteita tai vaikka tekoälyä.

10.05.2017

Nature Communications -tiedelehdessä 8. toukokuuta julkaistu tutkimustulos kertoo, miten kvanttilaskennassa voidaan poistaa haitallisia virheitä. Tämä on uusi käänne kohti toimivaa kvanttitietokonetta.

Valokuva senttimetrin kokoisesta piisirusta, jossa on rinnakkain kaksi suprajohtavaa värähtelijää ja niihin kytketyt kvanttipiirijäähdyttimet. Kuva: Kuan Yen Tan

Kvanttitietokonekin tarvitsee jäähdyttimen

Kvanttitietokoneet poikkeavat käytössämme olevista koneista niin, että ne laskevat tavallisten bittien sijaan kvanttibiteillä eli kubiteilla. Kun läppärissäsi rouskuttavat bitit ovat nollia tai ykkösiä, kubitti voi olla samanaikaisesti molemmissa tiloissa. Kubittien muuntautumiskyky on monimutkaisten laskujen edellytys, mutta se tekee niistä myös herkkiä ulkoisille häiriöille.

Kuten tavalliset sähkölaitteet, myös kvanttitietokone tarvitsee mekanismin viilentymiseen. Yhdessä laskussa saatetaan tulevaisuudessa käyttää tuhansia tai jopa miljoonia loogisia kubitteja, ja jotta laskutoimituksesta saadaan oikea tulos, pitää jokainen niistä nollata laskun alussa.

Jos kubitit ovat liian kuumia, nollaus ei onnistu, koska ne hyppivät liikaa eri tilojen välillä. Tähän Mikko Möttönen ryhmineen on kehittänyt ratkaisun.

Jäähdytin tekee kvanttilaitteista luotettavampia

Aalto-yliopiston tutkijaryhmän kehittämä nanokokoinen jäähdytin ratkaisee jättimäisen haasteen: sen avulla lähes kaikki sähköiset kvanttilaitteet voidaan alustaa nopeasti. Näin laitteista tulee tehokkaampia ja luotettavampia.

Kvanttijäähdytin

“Olen työstänyt tätä laitetta viisi vuotta ja vihdoinkin se toimii!”, riemuitsee Möttösen ryhmässä tutkijatohtorina työskentelevä Kuan Yen Tan.

Tan jäähdytti kubitin kaltaista värähtelijää hyödyntämällä yksittäisten elektronien tunneloitumista vain kahden nanometrin paksuisen eristekerroksen läpi. Hän antoi elektronille ulkoisella jännitelähteellä hieman liian vähän energiaa suoraa tunneloitumista varten. Siksi elektroni kaappaa tunneloitumiseen tarvitsemansa lisäenergian läheiseltä kvanttilaitteelta ja siksi laite viilenee. Jäähdytyksen voi kytkeä pois päältä säätämällä ulkoisen jännitteen nollaan. Silloin edes kvanttilaitteen luovutettavissa oleva energia ei riitä puskemaan elektronia eristeen läpi.

“Meidän laitteella saadaan kvantit kuriin”, Mikko Möttönen kiteyttää.

Seuraavaksi tutkijat aikovat jäähdyttää ihan oikeita kvanttibittejä, laskea jäähdyttimellä saavutettavaa minimilämpötilaa ja rakentaa sen on/off-kytkimestä supernopean.

Juttu on Aalto-yliopiston tiedote lähes suoraan kopioituna.

PEEK-kestomuovilla voi korvata metalliakin

PEEK-kestomuovia käytetään nykyisin erilaisissa teknisissä sovelluksissa, mutta pienillä parannuksilla se voisi taipua aivan uudenlaisiin käyttökohteisiin. Ville Myllärin tutkimuksessa PEEK-kuidut ohenivat ja saivat pintaansa yhdisteitä, jotka pystyvät hajottamaan orgaanisia aineita. 

Polyeetterieetteriketoni eli PEEK on kestomuovi, jota käytetään silloin kuin muut muovit eivät enää ominaisuuksiensa puolesta riitä. Sillä on erityisen hyvä lämmön- ja kemikaalien kesto sekä mekaaninen lujuus. PEEKin korkea hinta, noin sata euroa kilolta, kuitenkin rajaa sen käyttöä erikoiskohteisiin.

PEEKiä käytetään muun muassa ydinvoimaloiden tiivisterenkaissa, lentokoneissa korvaamaan metalleja ja erilaisissa lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten kalloimplanteissa", kertoo TTY:llä ensi perjantaina väittelevä Ville Mylläri.

Mylläri tutki PEEK-pohjaisten kuitujen käyttömahdollisuuksia yhä vaativimmissa sovelluksissa. Yksi tutkimuksen tavoitteista oli valmistaa mm. mahdollisimman ohuita PEEK-kuituja.

"Ohuita kuituja käytetään esimerkiksi lääketieteessä katetrien suojapunoksina", Mylläri sanoo.

Mylläri myös ikäännytti PEEK-kuituja lämmön ja valon avulla. PEEKin ylin suositeltu käyttölämpötila on 250 astetta, mutta testien perusteella tämä lämpötila haurastuttaa kuituja suhteellisen nopeasti.

"Sama vaikutus on myös UV-valolla. Sen huono kesto on yllättäen yksi PEEKin suurimmista heikkouksista."

Kolmannessa osiossa PEEKiä muokattiin kemiallisesti. Kuidun pintaan muodostui UV-säteilyn ansiosta kemiallisia yhdisteitä, jotka pystyvät hajottamaan orgaanisia aineita.

"Ominaisuutta voitaisiin hyödyntää muun muassa itsestään puhdistuvissa ja antimikrobisissa tekstiileissä sekä fotokatalyyttisessä ilmanpuhdistuksessa", Mylläri ehdottaa.

Artikkeli on Tampereen teknillisen yliopiston tiedote vain hieman toimitettuna.

Nyt materiaaleja voi rakentaa atomi atomilta

Nyt materiaaleja voi rakentaa atomi atomilta

Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet luomaan atomihiloja, joilla on ennalta määritelty sähkövaste. Tutkimustulokset tuovat synteettiset kvanttimateriaalit askeleen lähemmäs todellisuutta.

03.04.2017

Yksittäisiä atomeja on kyetty liikuttelemaan hallitusti tunnelointimikroskoopin (STM) avulla ensimmäisen kerran jo yli kaksikymmentä vuotta sitten. Atomien tarkka järjesteleminen näytteessä avaa kuitenkin uusia mahdollisuuksia. Materiaalin elektronisia ominaisuuksia on mahdollista muuntaa atomirakennetta muokkaamalla ja siten luoda uusia, keinotekoisia materiaaleja.

Kolmen tutkimusryhmän yhteistyö Aalto-yliopistossa on nyt tehnyt tästä mahdollisuudesta totta. Yhdistämällä uusia kokeellisia ja teoreettisia ideoita, tutkimusryhmät onnistuivat kontrolloimaan elektronisia ominaisuuksia tärkeissä mallijärjestelmissä.

Ryhmien johtajina toimivat Peter Liljeroth (Atomic Scale Physics), Teemu Ojanen (Theory of Quantum Matter) ja Ari Harju (Quantum Many-Body Physics).

Keinotekoiset materiaalit luotiin järjestelemällä kloorivakansseja kuparikiteen pinnalla tunnelointimikroskooppia käyttäen neljän kelvinasteen (–269 °C) lämpötilassa.

”Atomirakenne määrittelee tietysti sähköiset ominaisuudet myös oikeissa materiaaleissa, mutta keinotekoisten materiaalien kohdalla hallitsemme rakennetta täysin. Periaatteessa voisimme ottaa kohteeksi minkä tahansa elektronisen ominaisuuden ja toteuttaa sen kokeellisesti”, toteaa Robert Drost, joka toteutti kokeet Aalto-yliopistossa.

Yllä olevalla videolla näkyy, miten tutkijat liikuttavat yksittäisiä atomeja mikroskoopissa ja järjestävät vakansseja yhdessä klooriatomikerroksessa. Näin saatiin tehtyä atomihiloja, joilla on ennalta määritelty sähkövaste.

Lähestymistapa ei kuitenkaan rajoitu tutkijaryhmän valitsemaan kloorijärjestelmään. Samaa menetelmää voidaan soveltaa moniin pinta- ja nanotieteen tunnettuihin järjestelmiin. Se voidaan jopa mukauttaa mesoskooppisiin järjestelmiin, kuten kvanttipisteisiin, joita kontrolloidaan litografisten prosessien avulla.

Atominkokoamismenetelmäänsä käyttämällä tutkijaryhmä todisti, että sähköistä rakennetta voidaan hallita rakennetuissa atomihiloissa luomalla kaksi erilaista keinotekoista rakennetta. Inspiraation näihin ryhmä sai perusluonteisista mallijärjestelmistä, joilla on eksoottisia elektronisia ominaisuuksia. Ensimmäisessä järjestelmässä, niin kutsutussa dimeeriketjussa, saadaan aikaan topologisia faasirajatiloja. Tutkijat onnistuivat luomaan tällaisia atomin tarkkuudella määriteltyihin paikkoihin rakennetta kontrolloimalla.

”Topologisten kvanttimateriaalien tutkimus on yksi nykyfysiikan aktiivisimmista tutkimusaiheista. Tutkimustuloksemme osoittavat, että ala on kehittynyt siihen pisteeseen, että aineen eksoottisia faaseja voidaan suunnitella ja valmistaa keinotekoisesti”, akatemiatutkija Teemu Ojanen selittää.

Toisella tutkituista järjestelmistä, Liebin hilalla, on eksoottinen elektronirakenne, joka voi olla merkityksellinen keinotekoisten magneettisten tai suprajohtavien materiaalien toteuttamisen kannalta.

”On ennustettu, että tässä järjestelmässä on niin sanottu litteä vyö, jossa elektronit käyttäytyvät aivan kuin niiden massa olisi hyvin suuri, mikä voi johtaa magneettisuuteen ja suprajohtavuuteen. Aiomme testata tätä tulevissa tutkimuksissa”, Harju selittää.

”Tutkimustuloksemme avaavat uuden tutkimusalueen, jossa kokeellisten ja teoreettisten tutkimusryhmien tiivis yhteistyö johtaa varmasti moniin jännittäviin löytöihin. Olemme perustamassa uutta huippuyksikköä designer-materian tutkimukselle tämän tutkimuksen jatkamiseksi. On harvinaista, että voimme keksiä teoreettisesti jonkin rakenteen, jossa on kiinnostavia ominaisuuksia, ja sitten kävellä suoraan laboratorioon toteuttamaan sen käytännössä”, Liljeroth summaa.

Tutkimustulokset julkaistiin Nature Physics -lehdessä 27. maaliskuuta.

Video ja artikkeli perustuvat Aalto-yliopiston tiedotteeseen.

Video: Boston Dynamicsin uusin robotti on ällistyttävä

Video: Boston Dynamicsin uusin robotti on ällistyttävä

Boston Dynamics -yhtiö on hämmästyttänyt aikaisemminkin omalaatuisilla ja erittäin ketterillä roboteillaan, jotka näyttävät konkreettisesti mihin tekniikka on menossa. 

28.02.2017

On kyse sitten sotaroboteista tai arkipäivän apulaisista, tulevat robotit lähivuosina yleistymään voimakkaasti. Videolla esiteltävä Handle -niminen robotti sopisi (hieman paranneltuna) jo kumpaankin tehtävään erinomaisesti. Vaikka laite näyttää hyvin sympaattiselta (ja video on tehty nimenomaan sellaiseksi), ovat sotarobotit todennäköisesti ensimmäisenä etenkin rahoittajien mielessä.

Handle on hieman alle kaksi metriä korkea laite, jolla on kaksi kättä ja kaksi jalkaa, joissa on pyörät. Yhtiön mukaan laite käyttää samoja tasapainon säilyttämiseen kehitettyjä algoritmeja ja laitteistoja kuin aikaisemmat heidän tekemänsä robotit, mutta siinä on vain kymmenen niveltä, joita liikutetaan sähköisesti tai hydraulisesti. 

Laite on siis yksinkertaisempi kuin edeltäjänsä, mutta samalla se on ketterämpi ja nopeampi.

Nähtävästi kaksijalkaisuus ei ole ollut huono idea evoluutioltakaan. Kun mukaan lisätään pyörät tasaisella pinnalla liikkumista varten, niin tulos on vielä parempi; epätasaisella pinnalla pyörät voi lukittaa ja laite voi kävellä. 

Laite pystyy liikkumaan 25 kilometriä yhdellä latauksella.

Video: Tässä on suomalainen robottiauto Marilyn

Video: Tässä on suomalainen robottiauto Marilyn

Robotit tulevat!

Ja tässä tulee suomalainen robottiauto Marilyn, joka pystyy ajamaan myös lumisella tiellä. VTT testaa autolla tekniikkaa, ja vaikka tämä vanhasta Citroënista tehty robottiauto ei tulekaan koskaan tuotantoon sellaisenaan, auttaa se kehittämään Suomeen sopivien robottiautojen tekniikkaa.

27.02.2017

Kyseessä on toistaiseksi ainoa robottiauto, joka saa ajella itsekseen Suomen teillä.

Videolla näytetään, mitä auton pinnan alla on ja miten se oikein ajelee Tampereella.

Hanke kuuluu Valtioneuvoston selvitys- ja tutkimustoiminnan RoboFin-tutkimuksee, joka selvittää robotisaation ja automatisaation vaikutuksia Suomen kansantalouteen.

Tällaisia ovat ionotroniset nanolaitteet

Aalto-yliopistossa on otettu askel eteenpäin omalaatuisten ionotronisten nanolaitteiden kehittämisessä. Luvassa on muun muassa uusia mahdollisuuksia sähköisten muistien kehittämisessä.

Ionotroniset laitteet toimivat ionien eli sähköisesti varautuneiden atomien tai molekyylien avulla. Perinteisesti elektroniikan toiminta perustuu elektroneihin, eli atomeissa oleviin sähköisesti varattuihin alkeishiukkasiin. 

Uudenlaiset ionotroniset laitteet ovat tässä mielessä monipuolisia, sillä ne voivat toimia sekä ionien että elektronien avulla. Tekniikan saaminen normaalikäyttöön vaatii kuitenkin vielä monen teknisen haasteen selättämistä.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat ottaneet tässä nyt yhden askeleen eteenpäin. He ovat kuvanneet, kuinka happi-ionien liike kompleksioksidisessa materiaalissa saa materiaalin kiderakenteen muuttumaan yhtenäisesti ja palautuvasti aiheuttaen suuria muutoksia sähkövastuksessa.

Nanomagnetism and Spintronics -tutkimusryhmässä tehtiin yhtäaikaisia kuvannus- ja vastusmittauksia läpäisyelektronimikroskoopilla (TEM) käyttäen näytepidintä, jossa on nanokokoinen sähköinen anturi.

Esimerkiksi resistiivinen tietokonemuisti (RRAM) voisi hyödyntää tätä vaikutusta; muistipiirit ovatkin ensimmäisinä tutkijoiden mielessä, kun ionotroniikalle tehdään sovelluksia.

Tutkijatohtori Lide Yao teki tutkimuksen Aalto-yliopiston Nanomikroskopiakeskuksessa, joka on materiaalien nanokarakterisaation keskus Suomessa ja osa kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria. Kuva Mikko Raskinen.

”Läpäisyelektronimikroskoopissa elektronisäde läpäisee hyvin ohuen näytteen", kertoo tutkijatohtori Lide Yao teknillisen fysiikan laitokselta. 

"Erilaiset ilmaisimet keräävät elektronit näytteen läpäisyn jälkeen, ja niistä saadaan yksityiskohtaista tietoa materiaalin atomirakenteesta ja koostumuksesta. Tekniikka on erittäin tehokas nanomateriaalin karakterisoinnissa, mutta jos sitä käytetään tavanomaiseen tapaan, sillä ei voi muokata materiaalia aktiivisesti mikroskoopin sisällä. Käytimme tutkimuksessamme erityistä näytepidintä, jossa on pietso-ohjattu metallinen näytteenotin sähköisen nanokontaktin aikaansaamiseksi. Tämän in situ –tekniikan avulla pystyimme lyhyitä jännitepulsseja käyttämällä hallitsemaan happi-ionien vaellusta näytteessä."

Tutkimusten mukaan happi-ionien vaeltaminen pois kontaktin läheltä johti äkilliseen muutokseen oksidin hilarakenteessa sekä sähkövastuksen kasvuun. Jännitteen napaisuuden vaihto palautti alkuperäiset ominaisuudet täydellisesti.

Tohtorikoulutettava Sampo Inkisen tekemät sähkötermiset simulaatiot osoittivat, että sähkövirran aiheuttaman näytteen lämpenemisen ja sähkökentän ohjaaman ionien liikkeen yhdistelmä aiheutti vaihto-ominaisuuden.

Ionotroninen periaate soveltuu useiden materiaalin ominaisuuksien muokkaamiseen

”Tässä tutkimuksessa tutkittu materiaali on kompleksioksidi", sanoo professori Sebastiaan van Dijken.  

"Kompleksioksideissa voi esiintyä useita mielenkiintoisia fyysisiä ominaisuuksia, kuten magnetismia, ferrosähköisyyttä ja suprajohtavuutta. Nämä ominaisuudet vaihtelevat materiaalin hapetustilan mukaan. Happi-ionien jännitteellä aikaansaatu vaeltaminen muuttaa hapetustilaa ja aiheuttaa voimakkaita vasteita materiaalissa. Olemme osoittaneet suoran korrelaation happipitoisuuden, kiderakenteen ja sähkövastuksen välillä, ja samaa ionotronista periaatetta voisi hyödyntää muiden materiaalin ominaisuuksien hallitsemisessa.”

”Tässä tutkimuksessa käytimme erityistä näytteenpidintä, jonka avulla pystyimme suorittamaan yhtäaikaisia mittauksia atomirakenteesta ja sähkövastuksesta", jatkaa Yao.

"Kehitämme parhaillaan täysin uutta ja ainutlaatuista näytteenpidintä, jonka avulla TEM-mittauksia voisi suorittaa samalla kun näytettä säteilytetään voimakkaalla valolla. Aiomme tulevaisuudessa tutkia atomitason prosesseja perovskiitti-aurinkokennoissa ja muissa optoelektronisissa materiaaleissa tällä kokoonpanolla.”

Tutkimustulokset julkaistiin uusimmassa Nature Communications -julkaisussa (DOI: 10.1038/NCOMMS14544). 

In situ -TEM-tutkimus tehtiin Aalto-yliopiston Nanomikroskopiakeskuksessa, joka on materiaalien nanokarakterisaation keskus Suomessa ja osa kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria

Juttu on perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.