Kun vesi joutuu kosketuksiin superhydrofobisen eli erittäin vettähylkivän pinnan kanssa, se muodostaa pallomaisia pisaroita, jotka pyörivät helposti pois pinnalta.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet mullistavan Scanning Droplet Adhesion Microscopy (SDAM) -mittaustekniikan, jolla voidaan tutkia entistä tarkemmin superhydrofobisten materiaalien kastumisominaisuuksia eli sitä, miten neste leviää ja käyttäytyy tietyllä pinnalla. 

Uusi tekniikka on tuhat kertaa tarkempi kuin parhaat nykyiset kastumisominaisuuksien mittaamiseen käytetyt menetelmät. Nature Communications julkaisi juuri menetelmästä kertovan tutkimusartikkelin.

”Uuden mikroskooppimme ansiosta ymmärrämme paremmin, miten pinnan mikrorakenteet vaikuttavat kastumiseen", Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Robin Ras selittää.

"Mittausinstrumentti pystyy havaitsemaan pintojen mikroskooppisia virheitä, jotka ilmenevät pieninä vaihteluina kastumisominaisuuksissa. Tämä on erittäin tärkeää itsepuhdistuvien sekä jäätymistä, huurtumista, korroosiota ja biologisen aineksen kertymistä estävien tuotteiden kehittämisessä, sillä niissä pienetkin viat voivat haitata koko pinnan toimintaa”, 

Erittäin herkkä SDAM-tekniikka on tuhat kertaa tarkempi kuin parhaat nykyiset kastumisominaisuuksien mittaamiseen käytetyt menetelmät. Ne pystyvät mittaamaan pisaroiden tarttumisvoimia mikronewtonin tarkkuudella, mikä ei riitä superhydrofobisten pintojen tutkimuksessa.

SDAM-tekniikalla pystytään myös mittaamaan pintojen mikroskooppisia ominaisuuksia ja epätasaisuuksia.

”Selvitimme pinnan vedenhylkivyyttä vesipisaroiden avulla niin, että mittasimme erittäin pieniä, nanonewtonien suuruisia, voimia pisaran koskettaessa pintaa ja irrotessa siltä. Teimme mittauksia näytepinnoilla millimetrin sadasosan välein, ja pystyimme näin laatimaan pinnan vedenhylkivyydestä kaksiulotteisen kuvan – tavallaan kartan sen kastumisominaisuuksista”, kertoo Aalto-yliopiston professori Quan Zhou.

Tähän mennessä pintojen kastumisominaisuuksien tutkimisessa on käytetty kontaktikulman, eli vedenpinnan ja kiinteän pinnan kosketuskulman, mittaamista. Menetelmä on kuitenkin altis epätarkkuuksille erittäin vettähylkivillä pinnoilla.  

Uuden menetelmän etu on myös se, että toisin kuin kontaktikulman mittaaminen, se ei edellytä suoraa näköyhteyttä pisaran ja pinnan rajapinnalle, joten sillä voidaan mitata tekstiilien tai biologisten pintojen kaltaisia epätasaisia pintoja. SDAM-menetelmällä pystytään lisäksi tutkimaan pienten biosirujen, kemiallisten antureiden ja mikrosähkömekaanisten komponenttien ja järjestelmien mikroskooppisten toiminnallisten alueiden kastumista, mitä on vaikea tutkia perinteisillä menetelmillä.

Tutkimukseen osallistuivat tutkijat Ville Liimatainen, Maja Vuckovac, Ville Jokinen, Veikko Sariola, Matti Hokkanen, Quan Zhou ja Robin Ras.

Nasan tuorein Mars-mönkijä Curiosity lähestyy hiljakseen rinnettä, jolta on yllättäen löydetty lukuisia tummia ja vuodenaikojen kierron myötä toistuvia juovia. Näiden uskotaan olevan virtaavan veden aiheuttamia.

Tyypilliset juovat ovat muutamia metrejä leveitä ja satoja metrejä pitkiä.

Rinnejuovia on löydetty alueelta lähes 60 kappaletta. Lähimpiin on vielä matkaa viitisen kilometriä, mutta suunniteltu reitti kulkisi niistä kahden kilometrin päästä. Ja silloin voidaan olla jo aivan liian lähellä.

Kartta Grönlannin jäätikön pohjan varmasta sulamisasteesta on valmistunut. Kyse on ensimmäisestä kerrasta, kun tällainen kartta on tehty. Aiemmat tiedot jäätikön pohjan tilasta ovat perustuneet vain muutamiin pohjalle asti porattuihin kairausnäytteisiin.

Tutkimuksessa käytettiin hyväksi useita suoria ja epäsuoria tietoja jään toiminnasta.

Visuaalisin tulos on oheinen kartta. Alueet, joilla kaikki mallit ovat samaa mieltä pohjan tilasta, on merkitty sinisellä ja punaisella. Ristiriitaiset seudut - noin kolmannes koko jäätiköstä - on jätetty harmaiksi. Tärkein havainto oli, että massiiviset jäävirrat Grönlannin koillis- ja lounaisosissa ovat lähes kokonaan sulapohjaisia.

Tutkimuksen pohjalla olivat kahdeksan erilaisen tietokonemallinnuksen ennusteet jäätikön pohjan lämpötilasta. Nämä yhdistettiin suoriin havaintoihin jään liikkeistä. Lentokoneesta tehty tutkaus läpäisee jään ja paljastaa, millä alueilla pohja sulaa erityisen nopeasti. Satelliittiaineistosta taas erottuu, kuinka vauhdikkaasti jään pintakerrokset liikkuvat – kuivapohjainen jäätikkö nimittäin ei voi liikkua läheskään yhtä nopeasti kuin liukkaalla pohjalla liukuva. Viimeisenä silauksena tutkimukseen liitettiin analyysi jään pinnanmuodoista: Paksunkin jäätikön alla olevat esteet ja etenkin jään nopea liike pakkaavat jäätä epätasaisiksi ja rosoisiksi muodostumiksi.

Päivän kuvassa on osa laajakulmaotoksesta, jonka keskellä näkyy Naukluftin ylängölle tyypillistä hyvin epätasaista maastoa. Naukluft Plateau on Sharp-vuoren alarinteillä, joita Curiosity on kivunnut hitaasti yhä ylemmäs.

Maastoa peittävät eroosion kuluttamat hiekkakivikerrostumat. Alempana, Gale-kraatterin pohjalla, Curiosity vaelsi veteen kerrostuneen kiviaineksen muodostamassa maastossa, jonka vetisestä menneisyydestä kertoivat myös saviesiintymät.

Lähtiessään nousemaan kohti Naukluftin ylänköä Curiosity siirtyi alueelle, jota hallitsevat kuvassa näkyvät tuulen kasaamat hiekkakerrostumat. Näillä seuduin on aikoinaan ollut vähemmän vettä tai kerrostumat ovat muodostuneet kuivempana ajanjaksona.

Koko panoraamakuva löytyy täältä.

Kuva: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Kirkas sadevesi toimii kuin linssi, eli sen läpi katsottuna taustalla oleva maisena näkyy samaan tapaan kuin pienen linssin läpi katsottuna. Pisaran muoto tekee kuvasta vääristyneen, mutta periaatteessa kyse on samasta kuin paksun linssin läpi tutkisi maisemaa.

Linssin läpi katsottuna kuva on kuitenkin ylösalaisin, minkä vuoksi kuva on itse asiassa ylösalaisin. Harvoinpa pisarat muodostuvat oksaan sen yläpuolelle odottamaan putoamista.

Tällaisia kuvia on suhteellisen helppo ottaa metsässä, kun olosuhteet ovat sopivat. Tässä tapauksessa todennäköisesti kuva on otettu sadekuuron jälkeen Auringon paistaessa maisemaan taas kauniisti. Parhaat tulokset saadaan pitkäpolttovälisellä makro-objektiivilla, joka tekee kohteista tarpeeksi suuren, tarkan kuvan kennolle, mutta jättää taustan epätarkaksi.

Nestettä voidaan käyttää aivan oikeasti myös linssinä. Ranskalaiskeksijä, professori Bruno Berge on keksinyt tavan myös säätää tällaisten nestelinssien polttoväliä sähköisesti. Linsseissä on läpinäkyvää öljyä ja vettä sisäkkäin siten, että ohut öljykerros pitää veden sisällään ja muutaman milliwatin sähkövirran avulla on mahdollista hallita öljyä, joka puolestaan kaitsii vettä. Virran voimakkuutta muuttamalla voidaan muuttaa pintajännitystä ja siten linssin muotoa, ja edelleen linssin polttoväliä.

Berge väittää, että nestelinssit ovat mm. teollisuuskameroissa kestävämpiä kuin perinteiset, ja että tekniikkaa voisi käyttää jopa kännykkäkameralinsseissä, koska nestelinssi voisi toimia yksinkertaisena zoom-objektiivina kuluttaen hyvin vähän virtaa.

Tuloksia odotellessa voi muistella maailman ensimmäistä linssiä, niin sanottua ‘Nimrudin linssiä'. Se on vanhin tiedossa oleva optinen laite, jota käytettiin mm. suurennuslasina.

Kyseessä on Assyriasta (nykyisen Irakin alueelta) löytynyt kivikristallipalanen, joka lienee ollut käytössä joskus vuonna 750 eaa.

Linssi suurentaa noin kolminkertaisesti ja todennäköisesti sitä on käytetty apuna kaiverruksia tehtäessä. Tai sitten se on ollut vain koru, jonka läpi näkyvä kuva teki siitä vain kauniin ja mystisen.

Nimrudin linssi on näytteillä British Museumissa (kuva alla).

Toki kaikilla aineilla on erilaisia olomuotoja, mutta veden tekee poikkeukselliseksi sen olomuotojen muuttuminen meille passeleissa ympäristöoloissa.

Aineelle voidaan määritellä niin sanottu kolmoispiste, jossa sen olomuoto muuttuu kiinteästä nesteeksi tai nesteestä kaasumaiseksi hyvin pienen paineen tai lämpötilan muutoksen seurauksena. 

Vedellä tuo kolmoispiste on 0,01 celsiusasteen lämpötilassa (ja 0,006 baarin paineessa). Se ei välttämättä ole mukavin mahdollinen lämpötila meille ihmisille, mutta silti huomattavasti miellyttävämpi kuin esimerkiksi 4 700 celsiusastetta, jossa on hiilen kolmoispiste.

Cereksen kirkkaista pisteistä on julkaistu uusia kuvia. Optimoitu valotus näyttää nyt ensi kertaa kirkkaiden kohteiden pinnanmuotoja.  Aiemmissa kuvissa kohteet olivat joko liian pieniä tai ylivalottuneita. Uusien kuvien erotuskyky yltää 35 metriin kuvapistettä kohden. Cereksen pinnalla kurvaileva bussi tai näköalapaikalle rakennettu kesämökki saattaisivat siis erottua jo – vaikkeivät välttämättä kokonaista pikseliä täyttäisikään.

Tämän tarkempia kuvia Cereksen pinnalta ei näillä näkymin saada. Dawn-luotain on saavuttanut kääpiöplaneettaa lähimpänä olevan kartoitusratansa, ja sen lento lähestyy loppuaan.

Otsikkokuvassa uusi tarkka kuva on yhdistetty aiemmin otettuun väärävärikuvaan alueesta. Alla kirjoittajan hahmotelma kuvassa näkyvistä piirteistä.

Nebraskan yliopiston tutkijat ovat kuitenkin moiseen ryhtyneet ja onnistuneet luomaan veden 18. tunnetun kidemuodon – tosin vasta teoreettisesti.

Vuonna 2014 eurooppalaiset tutkijat loivat keinotekoisesti jäätä, jonka tiheys oli ennätyksellisen alhainen – 0,81 g/cm³ (tavallisen jään tiheys on 0,9167 g/cm³ nollassa celsiusasteessa) – mutta nyt hahmotellulla jäällä se on vielä 25 prosenttia pienempi.

"Teimme paljon laskelmia siitä, onko kyse vain harvasta jäästä vai peräti kaikkien aikojen harvimmasta jäästä", toteaa tutkimusta johtanut Xiao Cheng Zeng. 

Zeng on aikaisemminkin tehnyt paljon jäähän liittyvää tutkimusta. Hänen löytöihinsä kuuluu esimerkiksi kaksiulotteinen "Nebraska-jää", joka tietyissä olosuhteissa jäätyessään kutistuu, kun tavallinen jää laajenee.

Uusimmassa tutkimuksessa Zeng mallinsi ryhmänsä kanssa paine- ja lämpötilarajoja, joissa vesi jäätyisi tiettyyn kidemuotoon niin sanotuksi klatraatiksi. Häkkimäisen rakenteen on aiemmin arveltu olevan mahdollinen ainoastaan "vierasmolekyylien", esimerkiksi metaanin avulla. Zengin ryhmä totesi, että rakenne voi olla stabiili ilman ylimääräisiä molekyylejä.  

Siis teoriassa. Käytäntö onkin toinen juttu. Laskelmien mukaan uudenlaista jäätä voi syntyä vain silloin, kun vesimolekyylit ovat suljetussa tilassa, jossa vallitsee hyvin suuri, ulospäin suuntautuva paine.

-23 pakkasasteessa vaadittu paine olisi noin neljä kertaa suurempi kuin Tyynenmeren syvimmissä kohdissa. Ja lämpötilan laskiessa paineen täytyy kasvaa vielä siitäkin. Lisäksi klatraatista pitäisi poistaa vierasmolekyylit tyhjiömenetelmällä. 

Ihan heti uudenlaista jäätä, jolle on annettu nimeksi "Jää XVII", ei siis päästä käsin koskettelemaan. 

Uudenlaisesta jäästä kerrottiin Nebraskan yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Science Advances -tiedelehdessä. 

Kuva: Yingying Huang and Chongqin Zhu

J. Alexis Palmero Rodriguez ryhmineen on tutkinut Marsin vulkaanisten ylänköjen reunamilla sijaitsevia hautavajoamia. Yli kolme miljardia vuotta sitten niissä lainehti vesi, joka oli peräisin punaisen planeetan pohjavesiesiintymistä.

Laaksoihin muodostuneet järvet eivät olleet mitään aivan ohimeneviä ilmiöitä, vaikka eivät pysyviä olleetkaan. Järvet tulivat ja menivät olosuhteiden muuttuessa, mutta saattoivat tarjota kymmenien tai satojen miljoonien vuosien ajan elämälle edullisia turvapaikkoja. 

Kuvassa on tasanko, jolla on mahdollisesti lainehtinut vettä joitakin kymmeniä miljoonia vuosia sitten. Sen reunamilla olevat harjanteet (merkitty nuolilla) ovat kenties syntyneet, kun jäätynyt vesi on työntänyt edelleen maakerrostumia. 

"Sopivat lämpötilan vaihteluvälit, nestemäisen veden esiintyminen ja saatavilla olevat ravinteet, jotka luonnehtivat elämälle suotuisia ympäristöjä Maassa, ovat todennäköisempiä Marsissa alueilla, joilla on pitkäaikaisia veteen ja vulkaaniseen toimintaan liittyviä prosesseja", Rodriguez toteaa.

"Suolakerrostumien ja muiden sedimenttien esiintyminen muinaisissa Marsin järvissä ovat astrobiologian kannalta erityisen merkittävää, kun etsitään elämälle suotuisia paikkoja. Se pätee etenkin silloin, jos Marsin muinaisen pohjaveden purkaukset, jotka muistuttavat miljardeja vuosia aktiivisina olleita hydrotermisiä järjestelmiä, muodostivat tutkimuksessa esitettyjen kaltaisia paleojärviä."

Marsin muinaisten järvien paikallistaminen on haastavaa, sillä planeetan hyvin kylmässä ja harvassa kaasukehässä syvänteisiin kertynyt vesi olisi käyttäytynyt toisella tavalla kuin Maassa.

"Tutkimuksemme mukaan Tiibetin vuoristojärvissä on ainutlaatuisia muodostelmia, jotka saattavat selittää Marsin tasangoilla esiintyviä ilmiöitä", Rodriguez kuitenkin lisää.

Tutkimuksia on tarkoitus jatkaa paikan päällä, ei tosin Marsissa vaan Tiibetissä. Rodriguez käy ensi kesänä Tiibetissä tutkimassa alueita, joilla saattaa olla merkitystä astrobiologisen tutkimuksen kannalta.

Tutkimuksesta kerrottiin Planetary Science Instituten uutissivuilla ja se on julkaistu Planetary and Space Science -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA