Alkemistit yrittivät 1600-luvulla laboratorioissaan vimmatusti löytää menetelmää valmistaa kultaa. Tämän päivän nanotieteessä toimitaan tavallaan päinvastoin; kullan atomitason ominaisuuksia tutkimalla ja muokkaamalla kullasta voi syntyä jotain aivan uutta.
Helpolla ei kulta nanotasollakaan avaudu. Kulta-atomirypäiden ominaisuudet ovat auenneet tutkijoille vasta parin viime vuoden aikana. Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa professori Hannu Häkkisellä ja hänen johtamalla tutkimusryhmällä on ollut tärkeä rooli selvitystyössä. Häkkisen ryhmä onnistui viime vuonna selvittämään ensimmäisenä maailmassa hyvin pienten kulta-atomirypäiden ominaisuuksia laskennallisesti.
Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen professori Hannu Häkkisen ryhmä onnistui viime vuonna selvittämään ensimmäisenä maailmassa hyvin pienten kulta-atomirypäiden ominaisuuksia laskennallisesti. (c) Mika Remes
Amerikka kutsuu
Laskentatuloksen merkityksen ymmärtääksemme meidän on ensin hypättävä Hannu Häkkisen kanssa aikamatkalle 1990-luvulle ja Yhdysvaltoihin. Sieltä käynnistyi Häkkisen vaiherikas taival nanokullankaivajaksi.
”Väittelin vuonna 1991 Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella laskennallisesta fysiikasta. Väitöstyön jälkeen veri veti maailmalle. Pääsin seuraavana vuonna tutkijatohtoriksi Yhdysvaltoihin Atlantan maineikkaaseen Georgia Institute of Technologyyn tutkimaan metallinanopartikkeleita, niiden rakenteita ja elektronisia ominaisuuksia”, Häkkinen kertoo.
Vuonna 1994 Häkkinen palasi Jyväskylään fysiikan laitokselle yliassistentiksi. Vuonna 1997 hän sai dosentuurin. Sen jälkeen heräsi uudelleen halu hakeutua tutkimustyöhön Yhdysvaltoihin.
Eräällä työhaastattelumatkalla Häkkinen poikkesi vanhalla työpaikallaan Atlantassa tervehtimässä tuttuja. Yllätyksekseen Häkkiselle tarjottiin senioritutkijan pestiä vanhasta tutkimusryhmästä. Häkkiselle kutsu kelpasi, ja vuonna 1998 hän siirtyi uudelleen Georgia Institute of Technologyyn.
Nanobuumista toiseen
1990-luvun loppu oli Yhdysvalloissa nanotieteiden läpimurtoaikaa. Silloin alettiin tutkia myös nanometrikokoisten kultapartikkeleiden atomaarisia rakenteita ja katalyyttisia ominaisuuksia.
Fyysikot olivat kokeellisesti huomanneet, että hyvin pienet kultapartikkelit olivat mystisesti tehokkaita katalyytteja matalissa lämpötiloissa. Kultapartikkeleiden läsnäolo aiheutti hapetusreaktioita jopa huoneenlämpöä matalammissa lämpötiloissa. Tämä oli outoa, sillä kulta on tunnettu siitä, ettei se normaalimuodossa ole kemiallisesti tai katalyyttisesti aktiivinen alkuaine.
”Teoreettisesti ja laskennallisesti kyseessä oli aivan uusi tutkimusalue. Silloin ei vielä edes tunnettu kultapartikkeleiden stabiileja rakenteita, saati mitä molekyyleille tapahtuu niiden pinnalla. Muutaman kymmenen tai sadan kulta-atomin rypäät poikkesivat kemiallisilta ominaisuuksiltaan täysin kullan makroskooppisista ominaisuuksista.”
Viiden Atlantassa vietetyn vuoden aikana Häkkinen perehtyi erityisesti kultapartikkeleihin, joissa kultaytimen suojana oli orgaaninen rikkiä ja hiiltä sisältävä molekyylikerros.
”Niiden kemiallinen valmistus liuoksessa kultasuolasta opittiin 1990-luvun puolivälissä, vaikka atomirakennetta ei tunnettukaan. Atlantassa partikkeleja valmistettiin liuoksesta professori Robert Whettenin tutkimusryhmässä. Minä puolestaan paneuduin partikkelien atomirakenteiden mallinnukseen, josta tuli minullekin yksi päätutkimuskohde ollessani professori Uzi Landmanin tutkimusryhmässä”, Häkkinen sanoo.
Häkkisen toinen pesti Yhdysvalloissa päättyi vuonna 2003, kun hänelle aukesi kiinnostava mahdollisuus työskennellä Jyväskylään perustetussa poikkitieteellisessä Nanotiedekeskuksessa.
”Jyväskylässä tarjoutui ainutlaatuinen tilaisuus yhdistää kemiaa, fysiikkaa ja laskennallisia tieteitä. Sen pohjalta oli hyvä jatkaa Yhdysvalloissa hankitun kokemuksen perusteella tutkimusta Suomessa”, Häkkinen kertoo
Pitkään odotettu läpimurto
Varsinainen läpimurto kemiallisesti suojattujen kultananopartikkeleiden rakenteen tutkimisessa tapahtui vasta vuonna 2007. Nobel-palkittu kemisti Roger Kornberg tutkimusryhmineen onnistui Stanfordin yliopistossa määrittämään ensimmäistä kertaa 102 kulta-atomin ja 44 orgaanisen tiolaattimolekyylin muodostaman rypään atomirakenteen.
Se paljastui varsin erikoiseksi. Atomirypään keskellä on pelkästään kulta-atomeja, mutta osa kulta-atomeista jää rypään ulkopuolelle ytimen päällysteeksi tiolaattimolekyylien kanssa.
Silloin kulta-tiolaatti-yksiköt stabiloivat nanopartikkelin elektronirakenteen niin, että kultaytimeen sijoittuvat metallielektronit järjestäytyvät jalokaasuatomeille ominaiseen rakenteeseen.
Kultananopartikkelista tulee eräänlainen suurikokoinen jalokaasumainen ”superatomi”. Koska tällainen suojattu partikkeli on erittäin stabiili, sitä voidaan käyttää vaikkapa uusien nanomateriaalien rakennuspalikkana, mikä taas avaa erittäin kiinnostavia sovellutusmahdollisuuksia eri tieteen aloilla.
”Kornberg onnistui valmistamaan niin puhtaan liuoksen, että siitä saatiin kiteytettyä yksittäinen kide, joka koostui vain yhdenlaisesta kultananopartikkelista. Sen rakenne pystyttiin kokeellisesti atomeittain analysoimaan röngtendiffraktiolla.”
Ankara laskemista
Häkkinen oli Robert Whettenin kautta saanut Atlantasta Jyväskylään vihiä Kornbergin läpimurrosta jo ennen sen julkistamista Science-lehdessä lokakuussa 2007.
”Me olimme kehittäneet puolestaan Atlantan vuosien jälkeen Jyväskylässä tehokkaita menetelmiä mallintaa kultananopartikkeleiden rakennetta ja käyttäytymistä. Kornbergin selvittämä rakenne muistutti tutkimusryhmämme jo vuonna 2006 julkaisemaa laskennallisesti saatua rakenne-ennustetta. Pyysin Kornbergilta tutkimustuloksia käyttöömme etukäteen ja lupasimme laskennallisesti selvittää, miksi kultananopartikkelit näyttävät siltä kuin näyttävät”, Häkkinen sanoo.
Häkkisen saatua Kornbergin tulokset alkoi vimmattu kuusi viikkoa kestänyt laskeminen. Työ oli saatava ajoissa valmiiksi. Sen jälkeen kun Kornbergin tulokset julkaistaisiin Science-lehdessä, ne olisivat kaikkien käytössä ja Häkkisen ryhmä menettäisi etulyöntiasemansa.
Partikkelin elektronisen rakenteen selvittämistä jauhettiin CSC:n, Ruotsin PDC:n ja Saksan Jülichin supertietokonekeskuksen resursseilla. Häkkisen laskelmien mukaan tietokoneaikaa kului 10 vuotta yksittäisen
prosessorin suoritusaikana laskettuna.
”Laskennallisena haasteena tehtävä oli suurin, mitä olen ollut koskaan yrittämässä. Aikataulu oli tiukka, koska laskujen tulokset oli luvattu Kornbergille ennen hänen Science-artikkelin julkaisua. Emme aloittaessa tienneet, kuinka kauan urakka tulee kestämään ja toimivatko ohjelmistot ja rinnakkaislaskentaympäristöt virheettömästi. Säädimme ohjelmointia laskennan lomassa. Onnistuimme kuitenkin saamaan luotettavat tulokset ajoissa. Tulokset varmistettiin käyttämällä kahta eri elektronirakennekoodia. Se ei olisi onnistunut
ilman riittävää laskennallista kokemusta, kunnon laskentaresursseja ja motivoituneita tutkijoita”, Häkkinen kertoo.
Toimivia ennustuksia
Häkkisen ryhmälle laskentaurakan onnistumisesta on ollut paljonhyötyä.
”Maailmalla kiinnostus ja kilpailu nanometrimittaluokan kultapartikkelien tutkimisessa ovat rajua. Saavutimme työllämme etulyöntiaseman partikkeleiden ja niistä koostuvien funktionaalisten nanosysteemien laskennallisessa mallintamisessa ja teoreettisessa selittämisessä.”
Häkkisen ryhmä on laskennallisesti selvittänyt myös pienempien 11, 13 ja 39 kulta-atomia sisältävän superatomin rakenteet. Niiden päällysteenä ovat olleet joko fosfori-tiolaatti tai fosfori-kloridi.
”Ennustimme jo vuonna 2006, että kulta-tiolaattirypäissä kullalla on ikään kuin kaksi roolia: osa on keskellä metallisena, osa kovalenttisesti sitoutuneena tiolaattipäällysteeseen. Juuri näiden tulosten ansiosta Kornberg oli valmis antamaan koetuloksensa meille etukäteen rakenteen laskennalliseksi selvittämiseksi”, Häkkinen sanoo.
Samoihin aikoihin kun Häkkisen ryhmä sai tietokonelaskut 102 kulta-atomin partikkeleista, ryhmä ennusti erään pienen, vain 25 kulta-atomia sisältävän tiolaateilla suojatun partikkelin atomirakenteen.
”Tämä rakenne havaittiin kokeissa muutama kuukausi myöhemmin Pohjois-Karoliinan yliopistossa USA:ssa. Uusin rakenne-ennustuksemme koskee suuren, noin 144 atomia sisältävän partikkelin rakennetta. Saimme partikkelista kauniin kuvan artikkelin julkaisseen kemian lehden kanteen. Kansainvälinen tiedeyhteisö ottaa nyt tuloksemme ja ennusteemme vakavasti”, Häkkinen toteaa.
Kiehtovia sovelluksia
Kultapartikkelien atomirakenteita ja stabiiliuksia selvitelleen laskentaurakan jälkeen Häkkisen työryhmässä on alettu tutkia, miten kultananopartikkeleita voidaan kemiallisesti hyödyntää ja millaisia materiaalisysteemejä
niistä voidaan rakentaa.
”Haluamme selvittää laskennallisesti, voidaanko partikkeleita yhdistää ketjuksi tai linkittää yhteen orgaanisten molekyyliketjujen kautta kaksi- tai kolmiulotteisiksi rakenteiksi, ja mitä ominaisuuksia sellaisilla rakenteilla olisi”, Häkkinen sanoo.
Kultananopartikkeleiden ominaisuuksille löytyy monia sovellutusmahdollisuuksia muun muassa nanoelektroniikassa, kemiassa ja lääketieteessä. Yksi mielenkiintoisimmista ajatuksista on käyttää
kultananopartikkeleita tuhoamaan syöpäsoluja, koska ne absorboivat erittäin voimakkaasti säteilyn infrapuna-alueella.
”Maailmalla on jo kokeellisesti testattu ideaa kiinnittää kultananopartikkeleita syöpäsolujen pintaan, jolloin partikkeleita voidaan kuumentaa infrapunalaserilla. Metallinen ydin kuumenee niin, että se saattaa tappaa vierestä syöpäsolun. Se on kiinnostava mahdollisuus, vaikka on mahdoton vielä sanoa, voidaanko ideasta kehittää riskitön ja toimiva terapia ihmiselle.”
Häkkinen keskittyy omassa ryhmässään kultananopartikkeleiden perusominaisuuksien tieteeseen.
”Kultananopartikkeleiden kanssa painitaan pienuuden ytimessä nanoskaalassa. Tarvitsemme yhä enemmän myös moniskaalamallinnusta ja sitä varten on kehitettävä tehokkaita ohjelmistoja. Perusasioissa riittää siis vielä runsaasti töitä. Kun ne tunnetaan kunnolla, on sovellusten aika. Jätämme sen työn mieluusti insinööreille”, Häkkinen muistuttaa.
Mika Remes
