Om nom nom – elimistö auttaa popsimaan syöpäsolut rokotteen ohjaamana

Kuvituskuvassa pilleri syö pöpöjä
Kuvituskuvassa pilleri syö pöpöjä
Vincenzo Cerullo

Syöpäsolun osilla kuorrutettu virus kannustaa elimistön oman immuunipuolustuksen hyökkäämään kasvainten kimppuun. Temppuna on ikään kuin ohjelmoida puolustus etsimään ja tuhoamaan vieraita aineita.

 

Vielä viime marraskuun lopulla farmasian tiedekunnan tenure track -apulaisprofessori Vincenzo Cerullo pohti, mistä saada rahoitusta kehittämänsä uudenlaisen syövän parannuskeinon jatkokehittelyyn. Patenttiasiat etenivät, mutta rahaa puuttui.

"Sitten, melkeinpä yhden viikon aikana, kaikki alkoivat uskoa meihin yhtä aikaa", Cerullo hymyilee.

Cerullo on nyt saanut Euroopan tutkimusneuvosto ERC:n kahden miljoonan euron consolidator-rahoituksen, joka on tarkoitettu tutkimuksessa jo kyntensä näyttäneille nuorille tutkijoille. Myös Novo Nordisk on alkajaisiksi tarjonnut puolen miljoonan euron rahoitusta, ja pienempiä rahoituseriä on tullut muualta. Esimerkiksi Syöpäyhdistyksen ja Syöpäsäätiön muodostama Syöpäjärjestöt on rahoittanut tutkimusta 80 000 eurolla.

Naamioitu virus opettaa elimistön immuunijärjestelmää

Vincenzo Cerullon keksintö on periaatteessa yksinkertainen. Siinä hyödynnetään elimistön omaa puolustusjärjestelmää, joka on ohjelmoitu etsimään ja tuhoamaan vieraita aineita.

Normaalisti puolustus käy päivittäistä taistelua esimerkiksi viruksia vastaan. Viruksen pinnan rakenteiden perusteella elimistö tunnistaa asiaankuulumattomat vieraat ja toimittaa ne tuhottaviksi. Tästä Cerullo sai ajatuksen: Mitäpä, jos sinänsä harmittoman viruksen pinnalle liitettäisiin syöpäkasvaimille tyypillisten valkuaisaineiden osia – voisiko immuunipuolustus kohdistua suoraan syöpäkasvaimiin?

Nyt tähän ideaan perustuva syöpärokote PeptiCRAd on patentoitu yhdessä Helsingin Innovaatiopalvelut HIS:n kanssa. Rokotteen ytimessä on adenovirus, joka voidaan pinnoittaa lähestulkoon millaisilla valkuaisaineilla tahansa.

"Tällä reseptillä voidaan tehdä esimerkiksi potilaskohtainen rokote. Otamme potilaan omia syöpäsoluja, ja saamme aikaan juuri niitä vastaan vaikuttavan rokotteen."

Yhteistyökumppanitkin ovat jo valmiina, kun laboratoriovaiheesta ollaan etenemässä kliiniseen testaukseen.

"Itse asiassa kiinnostuneet lähestyivät HIS:iä ennen kuin HIS oli ehtinyt ottaa yhteyttä heihin, mikä kertoo paljon mielenkiinnon tasosta."

Lisäpotkua tutkimukselle on tuonut sekin, että Yhdysvaltain lääkintöviranomainen FDA hyväksyi viime lokakuussa ensimmäisen virukseen perustuvan syöpälääkkeen.

Tavoitteena olla heikoin lenkki

Nyt vähintään kuudeksi vuodeksi vakaan rahoituksen saanut Vincenzo Cerullon tutkimusryhmä ei ole laajenemassa merkittävästi.

"Haluamme parantaa laatua, emme juurikaan lisätä ryhmän kokoa", toteaa Cerullo. 

"Meillä on nyt avoinna kaksi post-doc-paikkaa ja kaksi paikkaa jatko-opiskelijoille. Valintakriteerit ovat tiukat, ja hakijoiden täytyy olla erinomaisia tullakseen valituiksi".

Korkeat vaatimukset tutkimusryhmän kokoonpanossa liittyvät myös Vincenzo Cerullon pitkäaikaiseen haaveeseen.

"Toiveissani on aina ollut johtaa sellaista tutkimusryhmää, jossa voisin hyvällä syyllä todeta olevani se joukon huonoin", Cerullo naurahtaa.

 

Vincenzo Cerullo

Juttu on Helsingin yliopiston tiedotuksen kirjoittama. Kuvat: Elina Raukko

Iso urakka: etsi ja irrota 9000 sähköjohtoa

Boosterin sisällä
Boosterin sisällä


Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä on edessä harvinaislaatuinen urakka, kun insinöörit joutuvat kamppailemaan suuren johtomäärän kanssa päivittäessään LHC-hiukkaskiihdyttintä vieläkin paremmaksi.


Juuri viime vuonna ison remontin ja parannusten jälkeen käyttöön otetun LHC-kiihdyttimen seuraavaa parantamista pohdittaessa on huomio kiinnitetty myös hiukkasia kiihdyttimeen syöttävään laitteistoon.

Tarkoituksena on pysäyttää kiihdytin jälleen vuonna 2019, jolloin sitä jälleen viilataan paremmaksi ja tehokkaammaksi.

Silloin työn alle otetaan myös ns. protonisynkrotroniboosteri (PS Booster), protonisynkrotroni (PS) ja superprotonisynkrotroni (SPS). Vanhin näistä on otettu käyttöön jo vuonna 1959.

Nämä kaikki ovat aiemman sukupolven hiukkaskiihdyttimiä, jotka on valjastettu nyt esikiihdyttimiksi. Hiukkaset synnytetään ja kiihdytetään niissä sopivaan vauhtiin ennen kuin ne syötetään kiertämään varsinaisessa LHC-kiihdyttimen suuressa renkaassa.

Nyt kuitenkin edessä olevaa työtä suunniteltaessa on eteen tullut insinöörimaailmassa varsin tyypillinen ongelma: kun aikanaan kiihdyttimiä on paranneltu, on uusia kaapeleita niihin asennettaessa vanhat kaapelit jätetty paikalleen, koska niiden poistaminen olisi ollut liian suuri työ.

Kyseessä eivät ole suuret voimansiirtokaapelit, vaan pienemmät, tyypillisesti tiedonsiirtoon ja kauko-ohjaukseen käytetyt sähköjohdot.

Niitä on kaikkiaan noin 9000 ja jokainen niistä on noin 50 metriä pitkä. Ne kiemurtelevat kiihdyttimen rakenteissa ja tunneleissa maan pinnalla olevista rakennuksista kallioon tehdyissä luolastoissa oleviin kiihdyttimiin.

Minkä taakseen jättää, sen edestään löytää

Vanha sanonta toteutuu ikävällä tavalla, sillä 60-henkinen insinööriryhmä joutuu nyt käymään jokaisen näistä johdoista läpi ja korvaamaan suuren osan niistä uusilla.

Vanhojen johtojen paikalleen jättäminen ei enää onnistu, koska kaapeleille varatut kourut ja tilat ovat tupaten täynnä.

Siksi insinöörit ovat jo nyt kartoittaneet edessään olevaa työtä. Suurin osa kaapeleista on turhia, joten ne tullaan yksinkertaisesti poistamaan tieltä. Osa samanlaisista kaapeleista on kuitenkin toiminnan kannalta tärkeitä ja osa niistä on turvallisuuden kannalta hyvin tärkeitä. Nämä johdot pitää tunnistaa ja korvata uusilla. 

Varsinainen urakka alkaa jo ensi vuonna, mutta johtojen paikantaminen sekä tunnistaminen on jo alkanut. Kaapeliruljanssin valmistelu alkoi jo viime kesänä arkistomateriaalin avaamisella. Periaatteessa jokaisesta johdosta on olemassa dokumentti, mutta käytännössä niin ei ole. Vanhimmat tiedot ovat lähes 70 vuoden takaa.

Kun johtojen vaihtaminen pääsee vauhtiin, sen odotetaan kestävän neljän vuoden ajan. Näin nykyistäkin parempi ja tehokkaampi LHC voisi hyrähtää käyntiin vuoden 2020 lopussa. 

Kuva: CERN

Vedessä lilluvat kultananopartikkelit paljastuvat

Kultananopartikkeleita
Kultananopartikkeleita


Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen ja Coloradon osavaltion yliopiston tutkijat ovat yhdessä selvittäneet noin yhden nanometrin kokoisen kultapartikkelin pintaa suojaavan ligandimolekyylikerroksen rakenteen ja dynamiikan vedessä. Tällä on merkittävä merkitys nanomateriaalien biologisten sovellusten kehittämisessä.


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.

Donald Kerst ja ”Superröntgenkone”

Donald Kerst ja betatroni
Donald Kerst ja betatroni

Päivän kuva on 76 vuoden takaa. Professori Donald Kerst rakensi vuonna 1940 ensimmäisen magneettiseen induktioon perustuvan hiukkaskiihdyttimen Illinois’n yliopistossa. 

Päivän kuva

Uutuuden nimeäminen aiheutti päänvaivaa ehkä enemmän kuin itse laitteen rakentaminen. Yliopistossa järjestettiin nimikilpailu, johon tulleita ehdotuksia olivat esimerkiksi rheotroni, induktroni ja Super-X-Ray Machine (”superröntgenkone”).

Kummallisin oli kuitenkin Ausserordentlichhochgeschwindigkeitelektronenentwickelndenschwer-arbeitsbeigollitron, joka ymmärrettävistä syistä ei saanut kannatusta. Lopulta Kerst päätyi kutsumaan laitetta betatroniksi.

Betatroni on eräänlainen muuntaja. Sen toisiokääminä on rengasmainen tyhjiöputki, jonka sisällä liikkuvien elektronien vauhtia ensiökäämin vaihtovirta kiihdyttää. 

Kollegoineen Kerst tutki laitteensa avulla esimerkiksi röntgensäteilyn tunkeutumista ihmiskudokseen. Kokeilla oli keskeinen merkitys, kun betatronista kehitettiin syövän hoidossa käytettävän röntgensäteilyn lähdettä.

Kuva: University of Illinois

 

Antarktiksella aaltoilee - mutta mikä?

Antarktiksen jäätikköä
Antarktiksen jäätikköä

Vedestä, jäästä tai maasta ei ole kyse, vaan ilmasta. 3–10 tunnin välein Etelämantereen yli pyyhkäisee aiemmin tuntemattomia ilmakehän aaltoja.

Nyt havaitut aallot eivät kuitenkaan tuiverra jäisessä maisemassa vaan mesosfäärissä, joka alkaa noin 50 kilometrin korkeudelta. Aallot vaikuttavat kuitenkin ylemmän ilmakehän tuuliin, ilmastoon ja jopa viestiyhteyksiin.

"Aallot ovat hyvin suuria häiriöitä, jotka aiheuttavat lämpötilassa jopa sadan fahrenheitasteen [noin 40 celsiusasteen] muutoksia alle viidessä tunnissa. Aina kun etsimme niitä, ne myös löytyvät", toteaa Cao Chen, joka on ollut useita kertoja Antarktiksella tutkimusta tehneen ryhmän mukana.

Ilmakehää luodattiin 200 kilometrin korkeuteen saakka lidarilla (Light Detection and Ranging), laseriin perustuvalla mittalaitteella, joka sijaitsee Arrival Heightsissa, noin viisi kilometriä pohjoiseen McMurdon tutkimusasemasta. 

Vuosittain yksi tai useampi tutkimusta johtaneen professori Xinzhao Chun jatko-opiskelija on viettänyt talven Etelämantereella, jotta havaintoja on saatu kerättyä ympärivuotisesti viiden vuoden ajan. 

"Löytö oli yllätys, ihan uusi havainto eikä sitä olisi onnistuttu tekemään ilman näin pitkää sarjaa", Chu kehuu.

Aaltoilua havaittiin tapahtuvan kahdessa ilmakehän kerroksessa, mesosfäärissä ja termosfäärin alaosassa, joissa lämpötila on alimmillaan -122 celsiusastetta ja korkeimmillaan 32 celsiusastetta. 97 kilometrin korkeudessa aaltoilun aiheuttama vaihtelu oli liki 40 astetta. Chun ryhmä teki havaintoja kaikkiaan 5 500 tunnin ajan eikä aaltoilu tauonnut hetkeksikään.

Vaikka ilmiö esiintyy hyvin korkealla, aallot kuljettavat energiaa ilmakehän eri osien välillä, jolloin ne todennäköisesti vaikuttavat sään ja ilmaston ohella myös ionosfääriin, joka heijastaa viestiliikenteessä käytettyjä radioaaltoja.

"Jos pystymme selvittämään näiden aaltojen alkuperän, se voi auttaa parantamaan merkittävästi ilmasto- ja avaruussäämalleja, joiden avulla yritetään ennustaa ilmakehän käyttäytymistä", Chu arvelee.

Tutkimuksesta kerrottiin American Geophysical Unionin blogisivuilla ja se on julkaistu Journal of Geophysical Research – Space Physics -tiedelehdessä (maksullinen). 

Kuva: NASA

Maailman ensimmäiset solmut kvanttiaineessa

Kvanttisolmu
Kvanttisolmu

Jyväskylän yliopiston kvanttilaskennan professori Mikko Möttönen on yhdessä Aalto-yliopiston ja yhdysvaltalaisen Amherst Collegen tutkijoiden kanssa saanut aikaan maailman ensimmäiset solmut kvanttiaineessa. Löytö avaa uuden pelikentän kvanttimekaanisten solmujen tutkimukselle ja hyödyntämiselle.

"Fyysikot ovat esittäneet jo vuosikymmenten ajan teoreettisia ennustuksia siitä, että kvanttikentissä pitäisi voida olla solmuja, mutta kukaan ei ole ennen meitä onnistunut tekemään niitä", toteaa sekä Jyväskylän yliopistossa että Aalto-yliopistossa toimiva Möttönen.

"Nyt kun olemme todella nähneet näitä kummajaisia, pääsemme viimein tutkimaan niiden erikoisia ominaisuuksia. Erityisen merkittävää tässä on se, että löytömme on yhteydessä useisiin tutkimusaloihin, kuten kosmologiaan, fuusioenergiaan ja kvanttitietokoneisiin."

Tutkijat tekivät solmun tuomalla rakenteen sisään Bosen–Einsteinin kondensaatin sen ulkopuolelta. Ensin he alustivat kondensaatin sisäistä järjestystä kuvaavan kvanttikentän osoittamaan yhteen suuntaan, minkä jälkeen he muuttivat ulkoista magneettikenttää äkillisesti. Silloin pilven keskelle muodostui yksittäisen magneettikentän nollapiste. Sen jälkeen oli odotettava vajaa millisekunti, minä aikana magneettikenttä teki tehtävänsä ja solmu muodostui.

"Koetta varten altistimme rubidium-kondensaatin sopivasti paikassa kääntyvän magneettikentän nopeille muutoksille, minkä seurauksena solmu syntyi alle sekunnin tuhannesosassa. Oivallettuamme oikean solmimistavan ja tehtyämme ensimmäisen kvanttisolmun olemme tulleet solmujenteossa todella taitaviksi. Olemme sittemmin tehneet useita satoja kvanttisolmuja", kertoo professori David Hall Amherst Collegesta.

Eri sivilisaatiot ovat käyttäneet ja arvostaneet solmuja tuhansien vuosien ajan. Solmut ovat muun muassa mahdollistaneet tutkimusretket valtamerten yli ja inspiroineet mitä hienoimpia koriste- ja kuviomalleja. Inkat käyttivät quipu-nimistä solmujärjestelmää tietojen kirjaamiseen. Nykyaikana solmuilla on katsottu olevan merkittävä rooli luonnon kvanttimekaanisissa perusteissa, vaikka niitä ei ole aikaisemmin nähty kvanttidynamiikassa.

Arkielämässä solmuja tehdään tavallisesti kaksipäisiin naruihin tai köysiin. Tällainen solmu ei ole kuitenkaan matematiikan määritelmän mukaan topologisesti stabiili, sillä se voidaan avata narua leikkaamatta. 

Stabiilin solmun päät on pakotettu yhteen. Solmun paikkaa narussa voidaan siirtää mutta solmua ei voida avata leikkaamatta narua.

Toisin kuin solmussa oleva naru tutkijoiden aikaansaamat kvanttisolmut muodostuvat kenttään, jolla on kussakin paikassa tietty suunta. Solmussa oleva kenttä voidaan kuvata lukemattomalla määrällä toisensa läpäiseviä renkaita, joiden kohdalla kentällä on tietty suunta. 

Otsikkokuvassa on visualisointi tutkijoiden muodostaman kvanttisolmun rakenteesta. Jokainen värillinen nauha edustaa joukkoa lähekkäisiä solmulla olevan kvanttikentän suuntia. 

Kukin nauha on kiertynyt itsensä ympäri ja ympäröi muut nauhat kerran. Suunta on sama yksittäisen renkaan kohdalla, mutta vaihtuu renkaasta toiseen. Näin syntyvä rakenne on topologisesti stabiili, sillä sitä ei voi purkaa rikkomatta renkaita. Toisin sanoen solmua ei voi avata supranesteessä ilman, että samalla tuhotaan kvanttiaineen tila.

Alla on kokeellisia kuvia supranesteestä solmimisprosessin aikana. Solmimisaika etenee vasemmalta oikealle. Kirkkaus kertoo hiukkastiheyden, joka vastaa kentän ylös- tai alaspäin osoittavaa suuntaa. Oikeanpuolimmaisessa ruudussa näkyvät mustat renkaat tuovat esiin otsikkokuvassa näkyvän värikkään toruksen, jossa kentän suunta osoittaa sivulle.

Matematiikan näkökulmasta nyt aikaansaatu kvanttisolmu muodostaa Hopfin säikeistyksenä tunnetun kuvauksen, jonka Heinz Hopf löysi vuonna 1931. Hopfin säikeistystä tutkitaan fysiikassa ja matematiikassa yhä laajasti. Nyt se on ensimmäistä kertaa havaittu kokeellisesti kvanttikentässä.

"Työmme ei ole päätepiste vaan alku kvanttisolmujen tarinalle luonnossa. Olisi hienoa nähdä vielä monimutkaisempia kvanttisolmuja, kuten solmuja, joiden ydin on solmussa", kertoo Möttönen.

"Lisäksi olisi tärkeää muodostaa kvanttisolmuja olosuhteissa, joissa kvanttiaineen tila olisi luontaisesti stabiili. Tällaisessa järjestelmässä olisi mahdollista tutkia tarkasti itse solmun stabiiliutta."

Tutkimuksesta kerrottiin Jyväskylän yliopiston tiedotteessa, johon uutisemme perustuu, ja se on julkaistu Nature Physics -tiedelehdessä

Kuvat: David Hall

 

Uusi vuosi toi mukanaan neljä uutta alkuainetta

Alkuaineet
Alkuaineet

Vuoden vaihde toi mukanaan neljä uutta alkuainetta, kun aiemmin löydetyt alkuaineet 113, 115, 117 ja 118 hyväksyttiin 30. joulukuuta virallisesti mukaan alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään.

Kansainvälinen teoreettisen ja sovelletun kemian liitto hyväksyi 30. joulukuuta pitämässään kokouksessa ununtriumin, ununpentiumin, ununseptiumin ja ununoctiumin virallisesti mukaan alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään, joten nyt  taulukon kaikki seitsemän riviä ovat oikeasti täytetty.

Omituiset nimet ja niiden lyhenteet Uut, Uup, Uus ja Uuo ovat kuitenkin vielä väliaikaisia, joten taulukkoa tullaan vielä muuttamaan lähitulevaisuudessa siltä osin.

Edellisen kerran alkuaineita lisättiin mukaan vuonna 2011, jolloin alkuaineet 114 ja 116 laitettiin virallisesti mukaan. Nämäkin alkuaineet tunnettiin aluksi latinankielisillä numeronimillään ununkvadium ja ununheksium, ennen kuin niille annettiin nimet flerovium ja livermorium.

Samalla vahvistettiin uusien alkuaineiden löytäjät: kaikki alkuaineet on tehty Dubnan raskasionitutkimuslaitoksessa Venäjällä, paitsi että alkuainetta 113 ei tunnistettu helmikuussa 2004 tehdyssä kokeessa ja kunnia sen löytämisestä annettiin Japaniin, RIKEN-tutkimuskeskukselle, missä onnistuttiin tekemään elokuussa 2012 ununtriumin isotooppia.

Mukana löydöissä on ollut myös tutkijoita Yhdysvaltain Lawrence Livermoren ja Oak Ridgen kansallisista laboratorioista, joten he voivat nyt ehdottaa nimiä venäläisten kanssa alkuaineille 115, 117 ja 118. Japanilaiset saavat puolestaan nimetä 113:n. 

Keinotekoisia alkuaineita

Luonnossa voi olla alkuaineita vain atomilukuun 94 saakka, eli luontaisesti on olemassa alkuaineita kevyimmästä, yhden protonin sisältävästä vedystä 94 protonia (ja yleensä paljon neutroneita lisäksi) sisältävään plutoniumiin.

Kaikki enemmän protoneita sisältävät alkuaineet ovat keinotekoisia, joskin erilaisissa suurienergisissä tapahtumissa avaruudessa on syntynyt myös alkuaineita aina järjestyslukuun 100 saakka. Nyt näitäkin voidaan tehdä vain laboratorioissa, kuten esimerkiksi Dubnassa Venäjällä.

Dubnassa pääasiallinen työkalu raskaiden atomien tekemisessä on kuvassa yllä oleva U400M -niminen syklotroni.  

Lisäksi kuuluisia ydintutkimuskeskuksia ovat alkuaineiden nimilistaltakin löytyvät GSI Darmstadtissa, Saksassa, sekä Lawrence Berkeleyn laboratoriossa, Kaliforniassa, Yhdysvalloissa. 

Useimmiten raskaimmat alkuaineet synnytetään pakottamalla yhteen kaksi hieman kevyempää, mutta silti raskasta alkuainetta. Kyseessä ovat aineiden varsin raskaat isotoopit, eli mukana protonien kanssa on paljon neutroneita, ja tuloksena on myös runsasneutronisia aineiden isotooppeja. Syntyvien alkuaineiden tunnistaminen ei ole enää helppoa, ja mitä raksaampiin aineisiin on menty, sitä hankalammaksi yhä raskaampien tekeminen on käynyt. 

Erittäin raskaat alkuaineet ovat hyvin lyhytikäisiä, eli ne haluavat käytännössä välittömästi synnyttyään. On tosin mahdollista, että atomiytimet muuttuvat jälleen vakaammiksi, kun ne kasvavat vieläkin suuremmiksi. 

Nykyarvioiden mukaan alkuaineiden määrä voisi ulottua järjestyslukuun 173 saakka, eli jaksollisen järjestelmän taulukkoon täytynee laittaa vielä tulevaisuudessa lisää rivejä.

Miten alkuainetaulukko rakentuu?

Otsikkokuvassa on kemian- ja fysiikantunnelta tuttu jaksollinen järjestelmä, jonka pystyrivejä kutsutaan ryhmiksi. Niitä on 18. Saman ryhmän alkuaineilla on samantapainen uloimman elektronikuoren rakenne, joten niiden ominaisuudet muistuttavat toisiaan. 

Vaakarivejä sanotaan puolestaan jaksoiksi. Jakson numero ilmoittaa, kuinka monta miehitettyä elektronikuorta alkuaineella on. Jaksossa vasemmalta oikealle liikuttaessa alkuaineen järjestysluku eli protonien lukumäärä kasvaa.

Alkuaineiden ominaisuudet vaihtelevat tavallisesti huomattavasti saman jakson sisällä. Metalliset alkuaineet sijaitsevat jakson alkupäässä vasemmassa reunassa ja epämetallit oikeassa reunassa.

Lue lisää: Kirjoittajan viime lokakuussa Tiede-lehdessä ilmestynyt artikkeli Alkuaineita transuraniasta kertoo Dubnasta sekä raskaiden alkuaineiden metsästyksestä.

Jyväskylä mukana maailmanennätyksessä: tämä on 4398 miljardin vokselin kuva

Simulaatio nesteen virtauksesta kalkkikivikuutiossa
Simulaatio nesteen virtauksesta kalkkikivikuutiossa
Simuloitu kappale ilman virtauksia

Kuvassa on tietokonemallinnus virtauskentistä pienessä näytepalasessa suomalaisvetoisen tutkijaryhmän työn tuloksena.

Siinä suuntavektoreiden punainen väri edustaa nopeaa ja sininen hidasta virtausta, kun taas keltainen sekä vihreä väri edustavat nopeuksia ääripäiden välistä.

Mutta mistä siinä on kyse?

Kuvan palanen on olevinaan hiekkakiveä, mutta supertietokoneen simuloimana. Huokoisen kivenpalasen fysikaaliset ominaisuudet ja rakenne on laitettu simulaatioon, ja sitten tietokone laskee miten neste – tässä tapauksessa vesi – kulkee sen läpi.

Hiekkakiven ja muiden huokoisten materiaalien tutkimus on kiinnostavaa paitsi perustutkimuksen vuoksi, niin myös siksi, että esimerkiksi öljyteollisuus on hyvin kiinnostunut siitä, miten nesteet virtaavat huokoisessa kivessä. Tiedolla on myös käyttöä eroosion ennustamisessa, yhteiskuntainfrastruktuurin suunnittelussa, saasteiden vaikutusten tutkimisessa ja monessa muussa yllättävässäkin asiassa: myös osteoporoosin haurastama luu on huokoista kalkkipitoista ainetta, ja sen ominaisuuksien simulointi on tärkeää.

Näiden materiaalien tutkimus laboratoriossa on hankalaa, koska niiden rakenteen sekä nesteenläpäisy- ja johtamisominaisuuksien tutkiminen samanaikaisesti laajassa mittakaavassa ja yksityiskohtaisesti on lähes mahdotonta. 

Siksi näytteiden käyttäytymisen mahdollisimman luonnollinen jäljittely tietokoneella on hyvin hyödyllistä. Mitä suurempi 'näyte' voidaan simuloida ja mitä tarkemmin siinä onnistutaan, sitä parempi. 

Ja koska suomalaisjohtoinen tutkimusryhmä onnistui tekemään tämän suuremmalla näytteellä noin tuhat kertaa tarkemmin kuin aikaisemmin, on syytä olla tyytyväinen.

Tutkimus julkaistiin Journal of Computational Science -lehden tuoreessa numerossa.

"Mittasuhteiden hahmottamiseksi kuvittele tavallinen noppa, joka ensin viipaloidaan yli 16 000 poikkileikkeeseen, ja sitten kukin leike kuvataan tarkkuudella, jonka esittämiseen edes nykyaikaisimmat elokuvateatterit eivät vielä kykene", tutkijatohtori Keijo Mattila Jyväskylän yliopistosta kertoo.

Nykyaikaisimmat teatterit näyttävät elokuvia 4K-kuvana, eli 4096 × 2160 pikselin tarkkuudella.

Kooltaan 1,5 cm3 olevan kivinäytteen rakenne koostuu noin miljoonasta mikroskooppisen pienestä, osittain toisiinsa kytkeytyneestä hiekanjyväsestä. Näiden jyvästen väliin jäävä tila muodostaa huokosverkoston, jota pitkin vesi ja muut virtaavat ainekset pääsevät kulkeutumaan. Tutkijaryhmän toteuttama tietokonesimulaatio mallintaa virtausta tällaisessa huokosverkostossa, ja siten virtausta kokonaisen kivinäytteen läpi.

Temppu on kiinnostava myös simulaatioteknisesti: tässä käytettiin kolmiulotteista kuvaa, joka koostuu 163843 vokselista (joka on pikselin kolmiulotteinen vastine). Tämä tarkoittaa hieman alle mikrometrin resoluutiota, johon ei aiemmin ole kyetty samankokoisilla materiaalinäytteillä.

Simuloitu kappale ilman virtauksia

Vaativa laskutoimitus suoritettiin Iso-Britanniassa, Edinburghissa olevalla Archer-supertietokoneella, jonka koko kapasiteetista simulaatiota varten varattiin 96 % yhtäjaksoisesti 10 tunnin ajan.

Simulaatio edellytti 137 teratavua tietokoneen keskusmuistia, joka vastaa noin 17 000 tavallisen kannettavan tietokoneen yhteenlaskettua muistia. Tehtävän suorittamisen sähkönkulutus oli kokonaisuudessaan noin 7500 kWh.

Lisäksi tutkijaryhmä teki suorituskykymittauksia maailman toiseksi tehokkaimmalla supertietokoneella, Yhdysvalloissa Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa olevalla Titan-supertietokoneella. Kun sen laskentayksiköistä oli käytössä 88 %, eli 16384 laskentaan soveltuvaa grafiikkaprosessoria, mitattiin ryhmän kehittämälle simulaatio-ohjelmistolle laskentatehokkuudeksi 1,77 petaflopsia.

Tämä tarkoittaa 1 770 000 miljoonaa miljoonaa laskutoimitusta sekunnissa.

Simulaatioennätys on kiinnostava läpimurto paitsi huokoisten materiaalien tutkimuksessa, niin myös simulaatio tekniikassa. Se myös osoittaa konkreettisesti kuinka tietokonesimulointi voi olla tulevaisuudessa yhä enemmän avuksi laajemmin materiaalitutkimuksessa.

Ja myös käytännön ongelmissa, mistä osoituksena on se, että Mattilan koordinoimaan tutkijaryhmään kuuluu jäseniä myös Brasilian kansallisen öljy-yhtiön Petrobrasin tutkimuskeskuksesta. Muut jäsenet ovat Tampereen teknillisestä yliopistosta, Luonnonvarakeskuksesta ja Åbo Akademista. Simulaatio-ohjelmiston kehittämisessä hyödynnettiin Tieteen tietotekniikan keskuksen CSC:n tarjoamia laskentapalveluita.

Artikkeli perustuu Jyväskylän yliopiston tiedotteeseen.

Huom:
Jutun otsikkoa on muutettu 22.12. aamulla: numero 163843 on muutettu 4398 miljardiksi. Julkaisujärjestelmä ei suostu näyttämään otsikossa potenssimerkkiä, joten 163843 oli muuttunut muotoon 163843. Tarkalleen 163843 on 4398046511104.

Grafeeninauha, joka luulee olevansa metallia

Grafeeninaunaa tutkittavana
Grafeeninaunaa tutkittavana

Aalto-yliopiston tutkijat ovat osoittaneet kokeellisesti, että atomitasolla täsmälleen tietyn levyiset grafeeni-nanonauhat käyttäytyvät metallin tavoin, aiempien teoreettisten ennustusten mukaisesti.

Grafeeni on kymmenkunta vuotta sitten keksitty hiilirakenne, joka muodostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa sitoutuneita hiiliatomeja. Se on kestävin tällä hetkellä tunnettu aine, ja koska se on erittäin valoaläpäisevää ja johtaa hyvin lämpöä ja sähköä, etsitään sille käyttöä monissa erilaisissa sovelluksissa.

Uudet suomalaistulokset tasoittavat tietä grafeenin käytölle tulevaisuuden elektronissa laitteissa, kuten mikroprosessoreissa, joissa grafeiinista valmistetuilla erittäin ohuilla nanonauhoilla voitaisiin korvata kupari johdinmateriaalina. Kun johtimen koko pienennetään atomimittakaavaan, grafeenin lämmönjohtavuuden ja kestävyyden uskotaan olevan parempi kuin kuparin.

Grafeenia tutkitaan maailmalla paljon. Aiemmin valmistetut grafeeni-nanonauhat ovat kuitenkin olleet puolijohteita, joilla ei voi suoraan korvata metallisia johtimia. 

Poikkeukselliset elektroniset ominaisuudet

Nanonauhan valmistus perustuu molekyylien väliseen kemialliseen reaktioon metallipinnalla.

"Nauhojen valmistamiseen käytettävä molekyyli määrittää tarkasti nauhan leveyden", selittää Pekka Joensuu, joka valvoi käytettyjen molekyylien synteesiä. 

"Jos halutaan muuttaa nauhan leveyttä vaikkapa yhden hiiliatomin verran, valitaan vain eri molekyyli".

"Mittasimme tunnelointimikroskoopilla yksittäisten nauhojen ominaisuuksia ja osoitimme, että yli viiden nanometrin pituiset nauhat käyttäytyvät metallin tavoin", kertoo Amina Kimouche.

Otsikkokuva esittää grafeeninauhaa ja sitä tutkivaa mikroskoopin kärkeä.

Kokeellisia havaintoja täydennettiin teoreettisilla laskelmilla. Teorian mukaan nauhojen leveyden kasvaessa atomi kerrallaan joka kolmannen leveyden pitäisi olla lähes metallinen ja sen energia-aukon erittäin pieni.

"Kvanttimekaniikan mukaan järjestelmän pienentäminen tavallisesti kasvattaa energia-aukkoa. Grafeeni toimii eri tavalla poikkeuksellisten elektronisten ominaisuuksiensa ansiosta", sanoo laskelmat tehnyt tohtoriopiskelija Mikko Ervasti Quantum Many-Body Physics -tutkimusryhmästä.

"Tulevissa tutkimuksissa keskitymme kokonaan grafeenista valmistettuihin rakenteisiin, joissa yhdistyvät sekä metalliset että puolijohtavat grafeeni-nanorakenteet”, toteaa tutkimuksen johtaja professori Peter Liljeroth.

Tutkimus "Ultra-narrow metallic armchair graphene nanoribbons" julkaistiin Nature Communications -tiedelehdessä.

Tutkimukseen osallistuneet Atomic Scale Physics - ja Quantum Many-Body Physics -tutkimusryhmät kuuluvat Suomen Akatemian Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien (LTQ) ja Laskennallisen nanotieteen (COMP) huippuyksiköihin. Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia ja Euroopan tutkimusneuvosto ERC.

Artikkeli perustuu Aalto-ylioiston tiedotteeseen.

Visuaalinen tarkkaavaisuus kuurouttaa - hetkeksi

Kuulotorvia
Kuulotorvia

Kuulostaa tutulta? Tai ehkä kysymys on väärin asetettu, koska keskittyminen visuaalista tarkkaavaisuutta vaativaan tehtävään voi viedä kuulon.

Ei kokonaan eikä kovilta ääniltä, mutta esimerkiksi normaalilla äänenvoimakkuudella esitetty kysymys jää helposti tyystin vaille kuuloaistimme huomiota. 

Lontoon University Collegessa tehdyn tutkimuksen mukaan kuulo- ja näköaisti käyttävät samoja, rajallisia hermostollisia resursseja. Kokeen otos ei ollut laaja, sillä testiryhmässä oli vain 13 henkilöä, mutta tulokset viittaavat siihen, että visuaalista tarkkaavaisuutta edellyttävä tehtävä voi heikentää merkittävästi kuuloa.

Jos tehtävä oli helppo, kuulossa ei ollut mitään vikaa, mutta jos se vaati erityistä keskittymistä, vaikutus kuuloaistiin oli selvä. Helposti kuultava äänikin saattoi jäädä havaitsematta. 

"Kyse oli laboratoriokokeesta, joka on yksi keino selvittää syyn ja seurauksen suhdetta. Totesimme, että koehenkilöiden suorittaessa vaativaa visuaalista tehtävää he eivät kuulleet ääniä, jotka he normaalisti olisivat kuulleet", sanoo Maria Chait. "Aivokuvat osoittivat, että he eivät olleet piittaamatta äänistä, vaan he eivät kuulleet niitä lainkaan."

Ilmiö on tunnettu jo aiemmin, mutta nyt päästiin ensimmäisen kerran sen taustalla olevien syiden jäljille. Magnetoenkefalografian avulla tarkkailtiin aivojen aktiivisuutta, jolloin kävi ilmi, että "kuurous" on seurausta kuuloaistimuksen synnyn alkuvaiheissa esiintyvistä mekanismeista. Ja niihin vaikuttaa rajallinen aivokapasiteetti, jota käyttää sekä kuulo- että näköaisti.

"Jos esimerkiksi yritämme puhua jollekin, joka keskittyy kirjaan, peliin tai televisio-ohjelmaan, emmekä saa vastausta, kyse ei välttämättä ole ylenkatseesta, vaan siitä, ettei hän välttämättä kuule! Se voisi selittää myös, miksi emme kuule juna-aseman tai bussipysäkin kuulutusta, jos keskitymme puhelimeen, kirjaan tai sanomalehteen", toteaa Nilli Lavie.

"Tällä on vakavampia vaikutuksia esimerkiksi leikkaussalityöskentelyssä, kun operaatioon keskittyvä kirurgi ei kuule valvontalaitteiden piippausta. Sama pätee autoilijoihin, jotka seuraavat navigaattorin ajo-ohjeita, sekä pyöräilijöihin ja motoristeihin, jotka katselevat vaikkapa mainoksia tai kiinnostavia vastaantulijoita. Myös puhelintaan käyttävillä ja tekstaavilla jalankulkijoilla voi esiintyä hetkellistä kuuroutta. Kovat äänet, kuten hälytyssireenit ja äänimerkit kyllä pääsevät läpi, mutta vaimeammat äänet, kuten polkupyörän kello tai autonmoottorin hurina voi jäädä helposti kuulematta."

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert!-tiedeuutissivustolla ja se on julkaistu Journal of Neuroscience -tiedelehdessä.