nanoteknologia

Suorana labrasta tällä viikolla: Joakim Riikonen ja nanomateriaalit

Ti, 11/28/2017 - 09:36 Jari Mäkinen

Viime viikolla Pariisi, tällä viikolla Kuopio! Tiedossa kiinnostava viikko nanomateriaalien ja Joakim Riikosen seurassa Itä-Suomen yliopistossa.

Joakim (eli Twitterissä @JoakimRii) toimii yliopistotutkijana Itä-Suomen yliopiston Sovelletun fysiikan laitoksella Kuopiossa.

Hänen tutkimuksensa keskittyy erityisesti äärimmäisen pieniä rakenteita sisältäviin nanohuokoisiin materiaaleihin ja niiden monimuotoisiin sovelluksiin. Tutkimuksissa selvitetään muun muassa miten näitä materiaaleja voidaan hyödyntää tehostamaan lääkeaineiden vaikutusta, keräämään arvokkaita metalleja tai puhdistamaan jätevesiä.

Jälkimmäiseen liittyen Joakim on mukana myös  -tiimissä, mikä osallistui taannoiseen Helsinki Challenge -kilpailuun ja pääsi hienosti semifinaaliin. Tiimin esittelyvideo on alla.

Joakimin viikon twiitit ovat tässä alla Storify-koosteena.

Maailman pienimmät kultaketjut tehtiin Jyväskylän nanotiedekeskuksessa

Su, 09/25/2016 - 17:51 Toimitus
Maailman pienimmät kultaketjut

Noin yhden nanometrin kokoisia kultahiukkasia yhdistettiin molekyyleillä toisiinsa, jolloin ne muodostivat kultahiukkasten ketjuja ja renkaita. Tutkimus on merkittävä edistysaskel valon kanssa voimakkaasti vuorovaikuttavien nanomateriaalien ymmärtämisessä.

Nanoteknologian avulla pystytään metalleista muodostamaan vain muutamasta sadasta atomista koostuvia nanometrien kokoisia hiukkasia. Tässä superpienessä mittakaavassa metallit saavat uusia mielenkiintoisia ominaisuuksia, esimerkiksi niiden vuorovaikutus valon kanssa on erittäin voimakasta.

Nanohiukkasia hyödynnetään jo lukuisissa sovelluksissa, esimerkiksi herkkinä kemiallisten yhdisteiden ilmaisimina sekä kemiallisia reaktioita nopeuttavina katalyytteinä.

”Yleensä nanohiukkasten valmistusprosessi tuottaa jakauman erikokoisia ja muotoisia hiukkasia”, kertoo Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen lehtori Tanja Lahtinen.

”Meidän käyttämämme menetelmä on poikkeuksellinen, sillä puhdistuksen jälkeen saamme tuotteena yhtä ainoaa nanohiukkasta. Nanohiukkasessa on tietty lukumäärä kutakin atomia ja ne ovat järjestäytyneet hyvin määritellyksi rakenteeksi. Se on kuin suuri molekyyli, jonka ydin on kultaa.”

Nanohiukkaset yhdistettiin molekyylisilloilla, jolloin saatiin nanohiukkaspareja, -ketjuja ja renkaita.

Ihan kaulaan tai ranteeseen nämä korut eivät mahdu, sillä ne ovat kooltaan noin tuhat kertaa hiuksen halkaisijaa pienempiä. Sen sijaan niillä on yllättävää, muuta käyttöä.

”Kun tällaiset rakenteet ovat vuorovaikutuksessa valon kanssa, viereisten hiukkasten metalliytimien elektronipilvet kytkeytyvät toisiinsa”, selittää Suomen Akatemian tutkijatohtori Eero Hulkko.

Vuorovaikutus muuttaa oleellisesti sitä, kuinka välissä olevat molekyylit kokevat valon aiheuttaman sähkökentän.

”Kun pystymme tutkimaan tällaisia atomitasolla hyvin määriteltyjä nanorakenteita sekä kokeellisin että laskennallisin menetelmin, voimme ymmärtää syvällisesti kytkeytyneiden metallirakenteiden vuorovaikutusta valon kanssa”, jatkaa akatemiatutkija Lauri Lehtovaara. Hänen mukaansa syvällinen ymmärtämys on tärkeää uusien sovelluksien kehittämisessä.

Tutkimus on jatkumoa pitkäjänteiselle monitieteelliselle yhteistyölle.

”Olen erittäin tyytyväinen, että pitkäjänteinen työ molekyylisuojattujen kultahiukkasten tutkimuksessa on luonut meille ainutlaatuisen monitieteellisen osaamiskeskittymän, joka pystyy jatkuvasti tuottamaan huipputason julkaisuja”, iloitsee Nanotiedekeskuksen johtaja akatemiaprofessori Hannu Häkkinen.

Tutkimukseen osallistuivat myös tutkijat Karolina Sokołowska, Tiia-Riikka Tero, Ville Saarnio, Johan Lindgren ja professori Mika Pettersson. Tutkimus julkaistiin Nanoscale -lehdessä viime keskiviikkona.

Akatemian rahoituksen lisäksi Jyväskylän yliopisto myönsi tutkimukselle liikkuvuusrahoitusta. Laskennallinen tutkimus tehtiin CSC:n tarjoamilla supertietokoneresursseilla.

Uutinen perustuu Jyväskylän yliopiston tiedotteeseen.

Vedessä lilluvat kultananopartikkelit paljastuvat

Ti, 01/26/2016 - 08:55 Toimitus
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.

Tutkijat kadottivat kitkan

Su, 06/07/2015 - 18:37 Markus Hotakainen

Jokainen talvikelissä liukastellut tietää, mikä merkitys on kitkalla ja etenkin sen puutteella. Toisaalta kitkasta on myös riesaa, kun esimerkiksi moottoreiden osat kuluvat käytössä.

Aina kun kaksi pintaa joutuu toistensa kanssa kosketuksiin, niiden välillä on kitkaa. Tai ei ihan aina: joissakin tapauksissa esiintyy ilmiö, jota nimitetään "supraliukuvuudeksi" (superlubricity). 

Silloin kitka katoaa kokonaan ja pinnat liukuvat toistensa suhteen vailla minkäänlaista vastusta – samaan tapaan kuin suprajohtavuudessa sähkö kulkee vastuksetta.

MIT:n (Massachusetts Institute of Technology) tutkijat ovat nyt kehittäneet menetelmän, jolla kitkaa voidaan hallita nanotasolla. Säätelemällä yksittäisten atomien keskinäistä asemaa voidaan kitkan suuruutta muuttaa jopa siihen pisteeseen, että se häviää tyystin.

Vladan Vuleticin johdolla tehdyllä tutkimuksella on suuri merkitys erityisesti nanoteknologiassa, missä "koneita" rakennetaan molekyylien kokoisista osista. Nanomittakaavassa kitka kuluttaa rakenteita usein paljon nopeammin kuin meille tutussa makromaailmassa.

"Kitkan ymmärtäminen ja hallinta on tärkeää, sillä se on yksi nanokoneiden rakentamista rajoittava tekijä", Vuletic toteaa. "Meidän menetelmämme avulla pystytään tarkastelemaan siirtymää kitkasta supraliukuvuuteen ensimmäistä kertaa atomien tasolla."

Vuleticin ryhmä käytti simulaatiota, jolla mallinnettiin kahta toisiinsa kosketuksissa olevaa pintaa. Ensin luotiin kahdella vastakkaisella lasersäteellä optinen hila, jossa sähkömagneettiset kentät muodostavat säännöllisen "rakenteen".

Munakennoa muistuttavassa optisessa hilassa "kuopat" vastaavat sähköistä minimipotentiaalia, "kohoumat" puolestaan maksimia. Kun atomit liikkuvat tällaisessä kentässä, ne pyrkivät hakeutumaan mahdollisimman pieneen potentiaaliin eli kuoppiin.

Kitkan tutkimiseksi tutkijat tarvitsivat myös toisen pinnan, jonka muodosti ionikide, varauksellisista atomeista koostuva "verkko". Harvinaisiin maametalleihin kuuluvaa ytterbiumia kuumennettiin ensin, sitten sen atomeihin kohdistettiin valo, jolloin ne ionisoituivat, ja lopuksi syntyneet ionit jäähdytettiin laserin avulla lähelle absoluuttista nollapistettä, -273 celsiusastetta. 

Sen jälkeen ionit eli varaukselliset atomit järjestettiin sähköjännitteen avulla. Samanmerkkiset ionit hylkivät toisiaan, jolloin ne muodostavat säännöllisen kiteen. Sen kokoa – eli sähköisesti varattujen atomien välistä etäisyyttä – ja liikettä voidaan säädellä saman sähköjännitteen avulla, jolla kide alkujaan muodostettiin.

Kun kidettä liikuteltiin optisen hilan suhteen, ionit pyrkivät hakeutumaan munakennoa muistuttavan kentän minimipotentiaaleihin. Kun ionien välinen etäisyys oli sama kuin kentän "kuoppien", kitka oli suurimmillaan: jokainen ioni oli yhtä aikaa omassa kuopassaan.

Jos kidettä yritettiin liikuttaa, ensin ei tapahtunut mitään, mutta kun voima kasvoi riittävän suureksi, se liikahti kertanykäyksellä, kuin mannerlaatat maanjäristyksessä. Kiteen ionit pomppasivat seuraaviin kuoppiin.

Kun ionien välistä etäisyyttä muutettiin, kitka pieneni. Osa ioneista osui edelleen kentän kuoppiin, mutta osa oli kohoumien kohdalla ja osa jossakin siltä väliltä. Silloin kide liikkuu helpommin optisen hilan suhteen, sillä kohoumien kohdalla olevat ionit pääsevät "valumaan" alaspäin ja tavallaan vetämään perässään alempana olevia ioneja ylöspäin.

Tietyllä ionien välisellä etäisyydellä kahden "pinnan" välinen kitka häviää kokonaan ja kide pääsee liikkumaan vastuksetta optisen hilan muodostamassa kentässä. Silloin saadaan aikaan supraliukuvuus, jolla odotetaan olevan hyödyllisiä sovelluksia nanotekniikan lisäksi myös makromaailmassa.

Tutkimus julkaistiin Science-tiedelehdessä (maksullinen) 4. kesäkuuta ja siitä kerrottiin MIT:n uutissivuilla.

Kuva: Christine Daniloff/MIT