Ranskalaiset tutkijat ovat soveltaneet Leidenfrostin ilmiötä uudella tavalla. Jos vesipisara on paistinpannulla, jonka lämpötila on vain hieman yli 100 celsiusastetta, pisara hajoaa ja pannun pinnalle muodostuu vesihöyrykuplia.

Jos lämpötila sen sijaan on paljon korkeampi, yli 280 astetta, pisaran ja pannun väliin muodostuu höyrykerros, jonka varassa pisara leijuu koskettamatta pannun pintaa.

"Ilmatyyny" on kuitenkin mahdollista saada aikaan myös ilman korkeaa lämpötilaa. Sama onnistuu sähkövirralla. Tutkijat käyttivät kokeessaan laimeaa suolahappoliuosta, joka johtaa sähköä.

Kun metallipinnalla olevaan pisaraan johdettiin 50 voltin sähkövirta, metallilevyyn kulkeva sähkö alkoi hajottaa vettä vedyksi ja hapeksi. Pisara kohosi ilmaan ja jäi leijumaan sinisenä hohtavan kaasukerroksen päälle (klikkaa kuva isommaksi).

Ensin tutkijat arvelivat, että kaasu on vetyä mutta tarkemmin tutkittaessa se osoittautui vesihöyryksi. Sähkövirta ionisoi sen, joten käytännössä sininen hohde tulee plasmasta. Tutkijat tulivat löytäneeksi edullisen ja helpon tavan tuottaa plasmaa, jonka aikaansaaminen vaatii yleensä korkeaa lämpötilaa ja suurta energiaa.

Kuva: Cedric Poulain et al./CEA

Vanha vitsi kissojen ja koirien keskinäisestä vihanpidosta on vielä vanhempi kuin voisi kuvitella. Eikä se ole mikään vitsi.

Kansainvälinen tutkijaryhmä on tarkastellut yli 2 000 fossiilia ja tullut siihen tulokseen, että koiraeläinten evoluution kannalta keskeisin tekijä on ollut kilpailu kissaeläinten kanssa. Se on ollut jopa merkittävämpi kuin ilmaston muinainen muuttuminen.

Kissaeläinten levittäytyminen Aasiasta Pohjois-Amerikkaan oli tuhoisaa koiraeläinten lajirunsauden kannalta. Tutkijat arvioivat, että kova kilpailu aiheutti kymmenien lajien kuolemisen sukupuuttoon. 

"Yleensä oletamme ilmastonmuutosten olleen ylivoimaisesti merkittävin tekijä biodiversiteetin kannalta. Kävikin ilmi, että eri petoeläinlajien välinen kilpailu on koiraeläinten kannalta ollut vielä merkittävämpi", vahvistaa Daniele Silvestro Göteborgin yliopistosta.

Koiraeläinten heimo alkoi kehittyä Pohjois-Amerikassa noin 40 miljoonaa vuotta sitten. Koirien kukoistuskausi koitti vajaat 20 miljoonaa vuotta myöhemmin, jolloin eri lajeja oli yli 30. Nykyisin lajeja on Pohjois-Amerikassa enää yhdeksän.

Lajien koko kasvoi ja yksilöiden paino saattoi ylittää 30 kiloa. Koiraeläimet kuuluivat siten mantereen kookkaimpiin petoihin. Nykyisin suurilla petoeläinlajeilla on isompi riski kuolla sukupuuttoon kuin pienemmillä lajeilla, mutta muinoin tilanne oli toinen.

Petoeläinten evoluutio nojaa vahvasti niiden kykyyn hankkia ravintoa. Saaliseläinten rajallinen määrä saa aikaan samalla seudulla asuvien petoeläinten välillä kiivasta kilpailua. Esimerkiksi Afrikan nykyiset petoeläimet kuten hyeenat ja hyeenakoirat sekä leijonat ja muut kissaeläimet saalistavat samoilla apajilla.

Pohjois-Amerikassa tilanne oli miljoonia vuosia sitten vastaavanlainen. Koiraeläimet kilpailivat paitsi keskenään myös kissaeläinten kanssa. Tutkijoiden mukaan kissaeläimillä oli vahva negatiivinen vaikutus koiraeläinten hengissäpysymiseen, mutta päinvastaista ilmiöitä ei ollut havaittavissa.

Tästä on päätelty, että muinaiset kissat olivat koiria tehokkaampia saalistajia, ja siksi monet Pohjois-Amerikan koirat kuolivat sukupuuttoon.

Tutkimuksesta kerrottiin Göteborgin yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences -tiedelehdessä.

Kuva: Indiana State Museum

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

Tutkijat ovat ensimmäistä kertaa onnistuneet tekemään magneettiseksi metalleja, jotka eivät ole sellaisia luonnostaan. Itse asiassa normaalilämpötiloissa ferromagneettisia aineita – jotka magnetoituvat helposti ja myös säilyttävät magneettisuutensa, vaikka eivät olisikaan magneettikentässä – on vain kolme: rauta, koboltti ja nikkeli.

"Magneettisten aineiden suppea valikoima rajoittaa mahdollisuuksiamme kehittää erilaisissa sovelluksissa tarvittavia magneettisia järjestelmiä ilman hyvin harvinaisten tai myrkyllisten materiaalien käyttöä. Laitteiden rakentaminen kolmen luonnostaan magneettisen aineen avulla muistuttaa pilvenpiirtäjän pystyttämistä kankiraudasta. Miksi emme lisäisi vähän hiiltä, jolloin saamme terästä?" pohtii Leedsin yliopiston tutkijaryhmään kuulunut Tim Moorsom.

Aineen magneettisuuden määrittelee niin sanottu Stonerin kriteeri. Leedsin yliopistossa on kehitetty menetelmä, jolla tätä matemaattista lauseketta voidaan muokata siten, että aineesta tulee magneettinen. Se edellyttää aineessa esiintyvien kvanttivuorovaikutusten muuttamista.

"Magnetismin aikaansaaminen aineissa, jotka eivät luonnostaan ole magneettisia, avaa uusia mahdollisuuksia kehittää laitteita, joissa käytetään yleisiä ja vaarattomia aineita kuten hiiltä ja kuparia", lupailee tutkijaryhmään niin ikään kuulunut Fatma Al Ma’Mari.

"Tulevaisuuden tekniikka, esimerkiksi kvanttitietokoneet, vaativat uudenlaisia magneetteja, joilla on erityisominaisuuksia, jotta tallennus- ja tietojenkäsittelykapasiteetin kasvattaminen käy mahdolliseksi. Tutkimuksemme on askel kohti 'magneettisia metamateriaaleja', jotka täyttävät nämä vaatimukset."

Leedsin yliopistossa 1960-luvulle saakka työskennelleen professori Edmund Clifton Stonerin kehittämä kriteeri tarkastelee elektronien jakaumaa atomissa ja niiden välisen vuorovaikutuksen voimakkuutta. Sen mukaan ferromagneettisissa aineissa eri energiatiloissa olevien elektronien määrä noudattaa tiettyä säännönmukaisuutta.

Leedsin yliopiston tutkijat onnistuivat muokkaamaan elektronien jakaumaa siten, että aine muuttuu magneettiseksi. Temppu tehdään C₆₀- eli pallohiilellä, jolla haluttu aine pinnoitetaan ohuelti. Elektronien siirtyminen metallista pallomaiseen hiilimolekyyliin saa aikaan Stonerin kriteerin täyttymisen ja aine muuttuu magneettiseksi.

"Jo aiemmin oli todettu, että molekyylipinnoitteella voidaan muuttaa magneettien ominaisuuksia. Seuraavaksi halusimme kokeilla, josko molekyyleillä voitaisiin myös muuttaa ei-magneettisia metalleja magneettisiksi", tutkimusta johtanut Oscar Cespedes yksinkertaistaa. 

Tutkimus osoittaa, että menetelmä toimii, mutta seuraavaksi tavoitteena on tehdä magneeteista voimakkaampia. "Tällä hetkellä näitä magneetteja ei saisi pysymään jääkaapissa. Uskomme kuitenkin, että soveltamalla tekniikkaa oikeanlaiseen alkuaineiden yhdistelmään saadaan kehitettyä uudenlaisia mittatilausmagneetteja, joita voidaan käyttää sekä nykyisissä että tulevissa teknisissä sovelluksissa", Cespedes toteaa toiveikkaana.

Läpimurrosta kerrottiin Leedsin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus julkaistiin Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: University of Leeds

Todellisuudessa hafnium-typpi-hiili-yhdisteen sulattamiseen tarvitaan huikean paljon korkeampi lämpötila kuin tavallisella tulella saadaan aikaan. Tai tarvittaisiin, sillä tällaista ainetta ei ole olemassakaan.

Tätä mielikuvitusainetta on toistaiseksi kehitetty vain supertietokoneiden uumenissa. Axel van de Walle ja Qijun Hong ovat mallintaneet yhdistettä, joka tunnetaan nimellä HfN0.38C0.51. He totesivat, että sen sulamispiste on korkeampi kuin yhdelläkään tunnetulla tai teoreettisella aineella.

Kestävä yhdiste sulaa laskelmien mukaan vasta noin 4 130 celsiusasteen lämpötilassa. Mallinnuksessa tutkijat säätivät hafniumin, hiilen ja typen suhteellisia runsauksia yhdisteessä. Tietyillä määrillä sulamispiste nousi laskennallisesti noin 200 astetta korkeammaksi kuin hafniumin, tantaalin ja hiilen yhdisteellä, jolla on korkein kokeellisesti todettu sulamispiste.

"Laskennallisella tutkimuksella on se etu, että voimme kokeilla monia erilaisia yhdistelmiä hyvin edullisesti ja etsiä sellaisia, joita kannattaa testata laboratoriossa", toteaa van de Walle. 

Tutkijat sovelsivat menetelmää, jossa sulamispiste määritetään simuloimalla fysikaalisia prosesseja atomitasolla. Laskennallisesti sulamista tarkastellaan nanoskaalassa eli noin sadan atomin kokoisissa ”kappaleissa”. Silloin joudutaan tekemisiin kvanttimekaanisten ilmiöiden kanssa.

"Aineen sulaessa entropia kasvaa, kun olomuoto muuttuu. Jos kiinteän olomuodon entropia on jo valmiiksi suuri, se vakauttaa ainetta ja nostaa sen sulamispistettä", van de Walle selittää.

Tutkijoiden seuraavana tavoitteena on valmistaa ainetta ja tutkia kokeellisesti sen ominaisuuksia. van de Wallen mukaan toistaiseksi on kuitenkin epävarmaa, onko aineelle mitään hyödyllistä käyttöä. Sitä voitaisiin kenties käyttää esimerkiksi kaasuturbiinien lapojen pinnoittamiseen.

"Sulamispiste ei ole aineen ainoa tärkeä piirre. Lisäksi on tarkasteltava esimerkiksi mekaanisia ominaisuuksia ja hapettumisen sietokykyä. Niiden takia yhdisteeseen on ehkä lisättävä aineita, jotka alentavat sen sulamispistettä", arvioi van de Walle.

Tutkimuksesta kerrottiin Brownin yliopiston uutissivuilla ja se ilmestyi Physical Review B -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: van de Walle lab/Brown University

Viimeisimmän jääkauden aikana ei ollut koko ajan hyytävän kylmä. Laajojen jäätiköitymisten väliset lämpimämmät jaksot eli interstadiaalit ovat osoittautuneet merkittäväksi tekijäksi suurten eläinlajien katoamisen kannalta.

"Nopealla lämpenemisellä oli suuri vaikutus ilmastoon ja se aiheutti merkittäviä muutoksia sateiden globaalissa jakaumassa ja kasvillisuusvyöhykkeissä", toteaa professori Alan Cooper Adelaiden yliopistosta.

Jo aiemmin oli havaittu DNA-tutkimusten perusteella, että kookkaiden eläinlajien joukossa kävi viimeisimmän jääkauden aikana kato. Alkuun vaikutti siltä, että sukupuuttoaalto johtui kylmyydestä.

Kun ikivanhoja DNA-näytteitä saatiin lisää museoiden kokoelmista ja samalla hiiliajoitus sekä tiedot muinaisista lämpötiloista tarkentuivat, kääntyivät käsitykset päälaelleen. Alkoi näyttää ilmeiseltä, että viimeisimmän jäätiköitymisvaiheen aikaiset sukupuutot johtuivat nopeasta lämpenemisestä.

Se selittää myös mammutin ja jättiläislaiskiaisen katoamisen noin 11 000 vuotta sitten, kun jääkausi alkoi jo hellittää otettaan. Ihminen ei kuitenkaan ole täysin syytön

"Pikainen ilmaston lämpeneminen aiheutti ympäristössä mittavia muutoksia, joka sai aikaan lajien vähenemiseen johtavan kehityksen, mutta ihminen antoi lopullisen kuoliniskun populaatioille, jotka olivat jo valmiiksi ankaran paineen alaisina", summaa professori Chris Turney Uuden Etelä-Walesin yliopistosta.

"Kun nykyisen maailmanlaajuisen lämpenemisen aiheuttamien muutosten lisäksi otetaan huomioon ihmisen aiheuttamat paineet pirstoutuvalle ympäristölle, herättää se vakavaa huolta tulevaisuudesta", sanoo Cooper.

Tutkimuksesta kerrottiin Adelaiden yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Adelaiden yliopisto

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERNin LHC-kiihdyttimessä tapahtuu satoja miljoonia hiukkastörmäyksiä sekunnissa. Niiden seurauksena syntyy hiukkasia, jotka hajoavat edelleen uusiksi hiukkasiksi. Ilmaisimet rekisteröivät niiden kulkureitit ja ominaisuudet, jotka tallennetaan tutkijoiden käsiteltäviksi. Siihen ei riitä mikä tahansa taskutietokone.

Kertyvä informaatio käsitellään maailmanlaajuisessa verkossa, jossa on mukana tietokonekeskuksia ympäri maailmaa.

Ensimmäinen linkki kiihdytinkokeissa kertyvän informaation ja tietoverkon välillä on CERN Data Center. Pinta-alaltaan 1 450 neliömetrin huoneessa on yli 10 000 palvelinta, joissa on 100 000 prosessoria. Sähkötehoa niiden pyörittämiseen tarvitaan noin 3,5 megawattia.

Syitä siihen, miksi kuumennettu ruoka maistuu yleensä hyvältä, on kaksi: ensiksikin lämmittäminen saa useat ruoat mureammiksi sekä helpommin syötäviksi, mutta kuumentaminen saa ruoan myös maistumaan paremmalta.

Jälkimmäiseen syynä on niin sanottu Maillard-reaktio, jonka tuloksena ruoan pinnalle muodostuu ruskeita väriaineita ja aromia tuottavia yhdisteitä.

Kyseessä on monivaiheinen kemiallinen reaktio ruoka-aineessa olevien sokerien ja aminohappojen tai proteiinien välillä, jonka tuloksena on mm. furfuraalia ja furfuryylialkoholia, diasetyyliä, asetolia, pyruvaldehydiä ja glyoksaalia. Tumma väri on pääasiassa melanoidiineja, jotka ovat pyrroli- ja furaanirakenteisia yhdisteitä.

Maillardin reaktio vaatii kunnolla toteutuakseen 140–160°C:n lämpötilan. Kun paistetaan esimerkiksi lihaa, tulisi paistinpannun tai grillin lämpötilan olla noin 180–200°C. Itse asiassa paras tapa paistaa lihaa on lämmittää sitä ensin noin 55-65°C:n lämpötilassa (vaikkapa sous vide -tekniikalla) ja kuumentaa sen jälkeen nopeasti pinnalta kuumassa lämpötilassa. Näin liha mureutuu ensin tasaisesti ja sitten siihen saadaan sopivasti makua sekä väriä pintaan.

Periaatteeltaan tämä pinnan käristäminen on hieman sama asia kuin tervan polttaminen – tosin siinä ja muissa pyrolyysiä, eli kuivatislausta käyttävissä prosesseissa kuumentaminen viedään aika tavalla ruoanlaittoa pitemmälle. Kuivatislauksessa orgaanisia kiinteitä aineita hajotetaan kuumentamalla hapen pääsemättä vaikuttamaan prosessiin. Toinen kemianteollisuuden ja ruoanlaiton välinen ero on se, että lihatuotteiden (ja muun ruoan) sijaan teollisuudessa käytetään yleensä puuta, kivi- ja ruskohiiltä, turvetta ja hartsia. Puun kuivatislauksessa saadaan muun muassa tervaa, etikkahappoa, metanolia, asetonia ja tärpättiä. Kivihiilen kuivatislauksessa saadaan valokaasua, koksia, ammoniakkia, raakaa bentseeniä sekä kivihiilitervaa.

Itse asiassa kun ruokaa kuumennetaan liikaa, on tulee sen huono maku juuri siitä, että kokkaaminen on mennyt hieman liian paljon kemiateollisuuden puolelle: maku- ja väriaineita on paitsi liikaa ja niistä tulee liian voimakkaita, niin mukaan syntyy myös huonolta maistuvia sekä myrkyllisiäkin aineita.

Maillard-reaktioita tapahtuu myös ihmiskudoksessa ruumiinlämpötilassa – tätä kutsutaan vanhenemiseksi. Reippaasti yleistäen osa rappeuttavista sairauksista on sitä, että ihmisliha "kypsyy".

Kuten arvata saattaa, on reaktion nimen takana tutkija. Hän on ranskalainen Louis Maillard, joka julkaisi havaintonsa vuonna 1912. Hän ei kuitenkaan osannut selittää reaktiota, vaan sen teki John Hodge Yhdysvalloissa vuonna 1953.

Lisää tietoa ruoan kemiasta on erinomaisesti mm. Anu Hopian Molekyyligastronomia -blogissa.

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen valtavalla LHC-kiihdyttimellä on vihdoin bongattu hiukkanen, jonka olemassaolo ennustettiin jo 1960-luvulla. 

Fyysikko Murray Gell-Mann esitti vuonna 1964 sittemmin Nobel-palkinnon arvoiseksi todetun mallin, jonka mukaan hiukkaset rakentuvat joko kolmesta kvarkista tai kvarkki-antikvarkkiparista. 

Myös neljän kvarkin ja yhden antikvarkin muodostama ”pentakvarkki” on mahdollinen, mutta siitä ei ollut minkäänlaisia havaintoja. Omituinen hiukkanen pysyi pitkään teoreettisena otuksena, mutta nyt se on vihdoin onnistuttu havaitsemaan.