Magneettiset nanohiukkaset, riviin järjesty!
Tutkija Jaakko Timosen magneettiset vesipisarat johtivat julkaisuun arvostetussa Science-lehdessä ja tekijän post doc -tutkijaksi Harvardin yliopistoon.
Kesällä 2013 moni verkon tiedesivustoja kolunnut törmäsi videoon, jossa vesipisarat tanssahtelivat metallipinnalla. Tutkijoiden YouTube-videoilla mustat nestepisarat liikkuvat muodostelmissa, muuttavat muotoaan ja jakautuvat kahtia. Niitä liikutteli Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan tutkija Jaakko Timonen, apunaan kestomagneetti ja vesipisaroihin sekoitetut magneettiset nanohiukkaset.
– Näin voitaisiin tehdä vaikka pienen mittakaavan kemiallisia analyysejä. Voit yhdistellä pieniä pisaroita, antaa niiden reagoida keskenään, ja siirtää reaktiotuotteet analysoitavaksi toisaalle, Timonen pohtii tekniikan käyttömahdollisuuksia Skype-yhteyden yli Harvardin yliopistosta Bostonista käsin.
Timosen väitöstyön aiheena olivat magneettiset nanohiukkaset. Niillä tuntuu olevan käyttöä lähes kaikilla elämänalueilla. Joko törmään tähän ihmemateriaaliin arjessani?
– Et vielä. Toivottavasti et jatkossakaan, sillä esimerkiksi rautaoksidinanohiukkasten ensimmäinen sovelluskohde lienee lääketieteessä, magneettikuvausten kontrastiaineena, Timonen kertoo.
Potilaan verenkiertoon lisätyt pienet nanohiukkaset antavat kuviin todella voimakkaan magneettisen signaalin.
– Mikä parasta, hiukkasten pinta voidaan funktionalisoida niin, että ne kiinnittyvät haluttuun paikkaan. Nanohiukkasen pinnalla oleva molekyyli voi esimerkiksi tunnistaa syöpäkasvaimen, ja takertua siihen kiinni.
Näin syöpä voidaan paitsi paikantaa, myös hoitaa. Kun kasvaimeen kiinnittyneet nanohiukkaset altistetaan oskilloivalle magneettikentälle, värähtely tuottaa lämpöä, lämmittää syöpäkasvainta ja tappaa sen muita kudoksia vahingoittamatta.
– Hoitoa kutsutaan magneettiseksi hypertermiaksi.
Valmistus teolliseksi
Timosen väitös nousi TEKin ja TFiFin väitöskirja-palkinnon voittajaksi 23 ehdotuksen joukosta.
”Timosen työssä on yhdistetty tekniikan innovaatioita tavoitteena kaupalliset konseptit ja patentointi sekä korkealla tasolla julkaistava tiede", perusteli palkintotoimikunta valintaansa.
Väitöskirjan tulokset edistävät magneettisten nanohiukkasten kemian ja fysiikan ymmärrystä monin tavoin. Väitöksen kuudessa tutkimuspaperissa esitellään muun muassa uusi teolliseen tuotantoon sopiva menetelmä kobolttinanohiukkasten valmistukseen.
– Väitöstyön ensimmäisen vuoden taistelin tämän valmistusongelman kanssa, Timonen
kertoo.
Tutkijat yrittivät syntetisoida kobolttinanohiukkasia toisen tutkijaryhmän reseptillä, pääsemättä samaan lopputulokseen. Taistelu kuitenkin kannatti, sillä lopulta valmistusprosessin salat avautuivat. Aallon tutkijat huomasivat, että valmistusmenetelmää voi yksinkertaistaa nanohiukkasten laadun kärsimättä.
– Tämä voisi toimia teollisena valmistusmenetelmänä, jos joku haluaa valmistaa kobolttinanohiukkasia isommassa mittakaavassa.
Teolliselle valmistusmenetelmälle on tilausta.
– Tyypillisesti hinta on tuhansia euroja per gramma, jos nanohiukkasten pitää olla tasakokoisia ja pintakemian kontrolloitua, Timonen arvioi.
Yksi Timosen väitöstyön papereista käsitteli biomimeettisiä magneettisia värekarvoja. Tutkijoiden magneettisista nanohiukkasista ja joustavista polymeerimolekyyleistä valmistamat värekarvat matkivat biologisten organismien värekarvoja. Esimerkiksi keuhkoputkiemme pinnalla on luonnostaan värekarvoja, jotka kuljettavat limaa ja epäpuhtauksia pois keuhkoista.
Tutkijoiden keinotekoiset värekarvat toimivat kuten vastineensa luonnossa. Magneettikenttää muuttelemalla tutkijat onnistuivat
liikuttamaan kappaleita magneettisten värekarvojen päällä. Värekarvat toimivat myös mikroskooppisena vispilänä.
– Magneettikentän suuntaa vaihtelemalla ne sekoittivat hyvin viskooseja nesteitä, joiden sekoittaminen on vaikeaa. Sovelluksia voisi löytyä esimerkiksi mikrofluidistiikan parista.
Alkuun Nokian rahoituksella
Jaakko Timosen tutkimusaiheen taustalla on entinen kännykkäjätti Nokia. Yhtiön tutkimus-keskus oli hyvin kiinnostunut magneettisista nanomateriaaleista. Professori Olli Ikkalan materiaalifysiikan ryhmä tarttui tutkimushaasteeseen.
– Magneettiset nanomateriaalit olivat ryhmälle uusi tutkimusala. Minut palkattiin diplomityöntekijäksi hankkeeseen vuonna 2007, Timonen kertoo.
Kovatasoista tiedettä alkoi syntyä vasta yritysprojektin jälkeen, materiaalifysiikan tutkijakoulun rahoituksella.
– Silloin oli paljon vapaammat kädet tutkimuskohteiden valinnan suhteen. Aloimme miettiä, miten magneettisia nanohiukkasia sisältävä neste käyttäytyisi superhydrofobisella pinnalla.
Timosen tutkijakollegat, etunenässä vasta professoriksi nimitetty Robin Ras, olivat hakoja valmistamaan niin sanotusti superhydrofobisia eli vettä tehokkaasti hylkiviä pintoja. Timonen taas tunsi magneettiset nanomateriaalit.
– Jo ensimmäiset havainnot olivat kiintoisia. Pystyimme liikuttamaan nanohiukkasilla magneettiseksi tehtyjä vesipisaroita pinnalla kestomagneetin avulla.
Kun tutkijat lisäsivät magneettisten hiukkasten määrää vedessä, pisaroiden käytös muuttui. Voimakkaan magneettisia vesipisaroita pystyi esimerkiksi venyttämään magneettikentän suuntaisesti. Todellinen yllätys tapahtui, kun magneettikentän voimakkuutta kasvatettiin entisestään, ja pisarat alkoivat jakautua pienemmiksi.
Tutkijoiden uteliaisuudesta alkaneet kokeilut päätyivät lopulta maailman arvostetuimman tiedejulkaisu Sciencen sivuille. Myös Timosen tiedeura lähti nousukiitoon. Kaksi päivää väitöstilaisuuden jälkeen mies lensi Chicagoon, Northwestern Universityn post-doc-tutkijaksi puoleksitoista vuodeksi. Siellä hän tutki muun muassa magneettisten nanohiukkasten vuorovaikutusta elävien solujen kanssa.
Tutkijat liikuttelivat magneettisia vesipisaroita superhydrofobisella pinnalla kestomagneetin avulla. Magneettikentän voimistaminen saa pisarat jakautumaan.
Biomimetiikkaa Harvardissa
Nyt asuinpaikka on vaihtunut Bostoniin, ja uusi työpaikka on Joanna Aizenbergin biomimeettisiin materiaaleihin erikoistunut tutkimusryhmä Harvardin yliopistossa.
Ryhmä kehitti muutama vuosi sitten uudenlaisen nesteitä ja likaa hylkivän pinnan, jolla on sekä kiinteän että nestemäisen pinnan ominaisuuksia.
– Pinta pystyy hylkimään veden lisäksi monia erilaisia liuottimia. Minun tehtävänäni on johtaa pientä alaryhmää joka tutkii, miten voimme kontrolloida nesteiden ja pisaroiden liikettä täällä kehitetyillä pinnoilla.
Seuraavat kaksi vuotta kuluvat Harvardissa, sitten edessä on paluu Aalto-yliopistoon.
– EU:n myöntämä Marie Curie -rahoitus edellyttää, että palaan kotiyliopistoon vähintään vuodeksi.
Väitöskirjapalkinto tuli Timoselle yllätyksenä. Timonen arvelee, että huomionosoituksen olisi ansainnut moni muukin työ. Timosen väitöstyön käytännön sovelluksia saadaan vielä odotella, mutta CV:ssä on jo pari tutkimusaiheeseen liittyvää patenttia.
– Yritän pitää kaupalliset sovellukset mielessä.
Väitöstyössäkin on eväitä tutkimustiedon kaupallistamiseen. Magneettisten pisaroiden avulla voisi esimerkiksi parantaa mittalaitteita, joilla tutkitaan pintojen ominaisuuksia.
– Moni yritys valmistaa optisia goniometrejä, jotka mittaavat pinnalla olevan pisaran muotoa ja päättelevät siitä pinnan ominaisuuksia. Jos goniometriin liitetään meidän magneettinen
testipisaramme ja analysoidaan pisaran muodon lisäksi sen liikettä, saadaan paljon lisää informaatiota pisaran ja pinnan välisestä vuorovaikutuksesta ja kitkavoimista.
Väitöspalkinnon suuruus on 7 500 euroa. Saako voittaja rahat käytettyä?
– Saan varmasti, elämä Bostonissa ei ole hirveän halpaa.
Tiedemaailman YouTube-hitti
Kun vesipisaraan lisätään jopa 20 tilavuusprosenttia magneettisia nanohiukkasia, pisarasta tulee musta ja voimakkaan magneettinen.Aalto-yliopiston tutkijaryhmän YouTube-video näyttää, miten pisarat muuttavat muotoaan magneettikentän muutosten tahdissa.
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina? "Toivoisin tekeväni tieteellisesti ja yhteiskunnallisesti merkittäviä löytöjä. Haluaisin myös olla sellaisessa asemassa, että voisin luoda nuorille tutkijoille mahdollisuuksia tehdä omasta mielenkiinnosta liikkeelle lähtevää kokeellista ja poikkitieteellistä tutkimusta." Suosikkileikkikalu? "Työpaikan hienot tutkimuslaitteet. Lähimpänä sydäntä ovat huipputarkat elektroni- ja valomikroskoopit." Lempiharrastus? "Maastopyöräily. K2-maastopyörä odottaa kotona että pääsen Suomen metsiin." |
Itsejärjestyminen ottaa mallia luonnosta |
Mitä käytännön sovelluksia on Science-lehteen päätyneellä magneettisten pisaroiden halkomisella? – Ei mitään, Timonen vastaa. Kiinnostavaa on sen sijaan periaate, joka demonstroi luonnossa yleistä itsejärjestymistä ihmisen valmistamilla nanohiukkasilla. Itsejärjestymisen idea on yksinkertainen: laita komponentteja säkkiin, ravista, ja osaset järjestäytyvät omin päin, esimerkiksi – On olemassa staattista ja dynaamista itsejärjestymistä. Kuulien asettuminen energiaminimiinsä säännölliseksi hilarakenteeksi on esimerkki staattisesta itsejärjestymisestä, Timonen selvittää. Luonnossa esiintyy huomattavasti monimutkaisempia, dynaamisesti itsejärjestyviä systeemejä. Esimerkiksi solumme rakentuvat molekylaarisen itsejärjestymisen tuloksena. Tuloksena on erittäin monimutkaisia rakenteita, lopulta kokonainen ihminen. – Dynaaminen itsejärjestyminen vaatii, että syötät koko ajan energiaa systeemiin. Dynaamiset rakenteet voivat olla huomattavan monimutkaisia, ja niiden muodostumisen ymmärrys on vielä hataraa. Timonen visualisoi asiaa napsauttamalla videotiedoston käyntiin. Oskilloiva magneettikenttä saa joukon magneettisia vesi-pisaroita yhdistymään kahdeksi värähteleväksi, pitkää matoa muistuttavaksi pötköksi. – Tässä on kyse dynaamisesta itsejärjestymisestä, syötämme energiaa systeemiin ja se kuluu jatkuvasti kitkavoimien voittamiseen, tutkija selittää. Kun magneettikentän värähtely videolla pysähtyy, palautuvat mustepisarat salamana alkutilaansa, staattiseksi kuusikulmioksi. Aallon nanotekniikan tutkijoiden demonstraatio on siis yritys rationaalisesti suunnitella dynaamisesti itsejärjestyviä systeemejä. – Science-paperin hieno pointti oli se, että magneettisten pisaroiden avulla pystyimme ensi kertaa havaitsemaan molemmat itsejärjestymisen muodot samassa systeemissä. Jos pystymme toteuttamaan samaa ideaa nanoskaalalla, ja korvaamme pisarat jollakin muulla, se avaa aivan uusia maailmoja, Timonen visioi. Timonen miettii pitkään, mikä voisi olla esimerkki käytännön sovelluksesta. – Tiedätkö mikä on fotonikide? hän kysyy. Nanokokoinen, valon liikettä ohjaava komponentti voi olla kova sana tulevaisuuden elektroniikassa. – Jos fotonikiteen muodostavat polymeeri- tai silikapartikkelit douppaisi magneettisilla nanohiukkasilla, voisi staattisesta fotonikiteestä tehdä dynaamisemman, ”elävämmän”, mikä helpottaisi sen optisten ominaisuuksien muokkaamista lennossa. |
