Atominohuiden rakenteiden piti olla sula mahdottomuus.




Julkaistu Tiede-lehdessä 4/2009

Työviikon päätteeksi Konstantin Novoselovilla oli tapana hieman irrotella työtoveriensa kanssa. Manchesterin illan hämärtyessä tutkijat päästivät mielikuvituksensa valloilleen yliopiston fysiikan laboratoriossa ja testasivat hassuimmat ideansa käytännössä.

Useimmat koejärjestelyistä eivät toimineet, mutta vuonna 2004 erään perjantai-illan puuhastelu tuotti napakympin. Löytyi tapa valmistaa yhden atomikerroksen paksuisia hiilikalvoja eli grafeeneja.

- Näimme, että siinä sitä nyt on. Kaikki todellakin alkoi siitä illasta, Novoselov kertoo.


Oli todistettu mahdottomaksi

1930-luvulla teoreettiset fyysikot laskivat, että yhden atomikerroksen paksuiset rakenteet eivät ole mahdollisia, sillä atomien lämpöliike hajottaisi ne. Vuosikymmenten mittaan lukuisat havainnot vahvistivat tämän: eri materiaaleista valmistetut kalvot hajosivat, kun niitä ohennettiin äärimmilleen. Siksi grafeenin löytyminen tuli täytenä yllätyksenä.

Valmistusmenetelmä on hämmästyttävän yksinkertainen ja kenen tahansa toistettavissa vaikka kotisohvalla. Näin se käy:

Ota pala tavallista teippiä ja hippunen grafiittia, siis esimerkiksi lyijykynän "lyijyä". Paina teippi kiinni grafiittiin ja irrota varovasti. Teippiin jää ohuita grafiittilastuja. Paina sitten tämä teippi kiinni toiseen teipinpalaseen ja irrota palaset toisistaan. Nyt jälkimmäiseen teippiin on tarttunut lastujen päällimmäinen kerros. Toista tätä, kunnes pääset atominohuisiin kerroksiin.


Teippi ei sovi teollisuuteen

Vaikeampi tehtävä onkin sitten analysoida, mitkä syntyneistä tuhansista pienistä hiutaleista ovat kaikkein ohuimpia ja miten ohuita ne oikeastaan ovat. Manchesterilaistutkijat onnistuivat löytämään keinon, jolla tarkkaa optista mikroskooppia käyttäen saadaan määritettyä hiilikalvojen paksuus. He tuottivat yhä ohuempia kalvoja, kunnes lopulta pääsivät yhteen atomikerrokseen. Idean isä, professori Andre Geim nimesi kalvot grafeeniksi.
On helppo arvata, että teippimenetelmä ei sovellu grafeenin teolliseen tuottamiseen. Olennaisesti parempaakaan valmistustapaa ei ole vielä keksitty, mutta yritys on kova.

- Edistystä tapahtuu koko ajan, Novoselov kertoo. - Meidän menetelmällämme voidaan nyt tuottaa kalvoja, joiden halkaisija on 0,1 millimetrin luokkaa. Tämä riittää tutkijoiden kaikkiin tarpeisiin, mutta ei sovelluksiin.

Kun grafeenin teolliset tuotantomenetelmät keksitään, raaka-ainepulaan ei ainakaan törmätä, sillä lähtöainetta eli hiiltä on saatavilla rajattomasti ja olemattomaan hintaan.


Elektronit kiitävät estotta

Grafeenin keksijät ovat tutkineet uuden materiaalin ominaisuuksia perinpohjaisesti. Kokeiden tuloksissa on riittänyt yllätyksiä. - Olen jo hävinnyt lukuisia vetoja, Novoselov naurahtaa. - Monissa tapauksissa on ollut mahdotonta ennustaa grafeenin ominaisuuksia, ja juuri siitä me fyysikot pidämme.

Grafeeni on äärimmäisen vahvaa mutta silti joustavaa. Poikkeuksellisten mekaanisten ominaisuuksiensa lisäksi sillä on ainutlaatuiset sähköiset ominaisuudet.

Sähköä johtavissa materiaaleissa varauksenkuljettajat eli elektronit törmäilevät jatkuvasti muihin aineen rakenneosasiin. Grafeenin elektronit ovat erilaisia: ne käyttäytyvät massattomien valohiukkasten eli fotonien tavoin ja etenevät vauhdikkaasti. Niiden nopeus¬ on peräti kolmassadasosa valon nopeudesta eli 1 000 kilometriä sekunnissa.

Grafeenissa viilettävät elektronit eivät juuri huomaa kidehilan virheitä, eikä hidastavia törmäyksiä satu. Kun grafeenia vielä voidaan valmistaa harvinaisen virheettömästi, tuloksena on materiaali, jossa elektronit liikkuvat ennennäkemättömän liukkaasti.


Transistori syntyi jo

Grafeenista valmistetut elektroniset komponentit, kuten transistorit, olisivat selvästi nopeampia kuin nykyiset piipohjaiset laitteet. Grafeenista onkin povattu seuraavan sukupolven materiaalia, joka mullistaa koko elektroniikkateollisuuden.

Grafeenilla voi tehdä kaiken minkä piillä, mutta paljon paremmin, Novoselov uskoo.

Uskosta tulevaan kehitykseen kertoo myös se, että alan suuryritykset, kuten Nokia, osallistuvat aktiivisesti tutkimukseen, jopa grafeenin perusominaisuuksien kartoittamiseen.

Grafeenista on jo onnistuttu valmistamaan yksittäisiä transistoreita. Grafeenipohjaiset tietokoneet ja muut logiikkapiirejä sisältävät laitteet ovat kuitenkin vielä pitkän, ehkä vuosikymmenten tien takana.

- Lähempää tulevaisuutta ovat luultavasti suurtaajuuksiset transistorit, Novoselov kertoo. Tällaisia transistoreita voitaisiin hyödyntää erilaisissa telekommunikaatio- ja kuvantamissovelluksissa. Erityisen kiinnostava sovellus grafeenitransistoreille ovat uudentyyppiset, terahertsialueella kuvaavat turvatarkastuslaitteeet. Lentokentillä ja tulleissa ne näkisivät piilotetut aseet tai muut epäilyttävät esineet.


Aurinkokennot halpenisivat

- Aivan ensimmäiset elektroniikkasovellukset perustunevat johtaviin, läpinäkyviin grafeeniohutkalvoihin, Novoselov ennustaa. - Näitä ovat esimerkiksi aurinkokennot ja litteät näytöt.

Nykyiset piipohjaiset aurinkokennot ovat kalliita ja hyötysuhteeltaan huonoja. Tähän mennessä ohutkalvokennojen kehittäminen on kuitenkin ollut takkuista.

Ohutkalvokennojen päällimmäisen kerroksen tulee olla läpinäkyvä ja hyvin sähköä johtava. Jos se olisi grafeenista, kennojen valmistusprosessi yksinkertaistuisi huomattavasti. Samalla se halpenisi, mikä mahdollistaisi kennojen mittavan käytön myös köyhissä maissa.

Toisin kuin nykyiset materiaalit grafeenikalvo päästää näkyvän valon lisäksi lävitseen infrapunasäteilyn. Grafeenilla pinnoitetut kennot pystyisivät siten valjastamaan energiantuotantoon suuremman osan niihin osuvasta auringon energiasta, eli kennojen hyötysuhde paranisi huomattavasti. Koska grafeeni on kestävää, kennot luultavasti  kestäisivät vuosikymmenten sateet ja paisteet.


Kuvaruudusta ohuen ohut

Grafeenin ennustetaan valtaavan paikkansa myös olohuoneissamme. Kuten aurinkopaneeleissa, myös televisioiden ja tietokoneiden litteissä nestekidenäytöissä tarvitaan valoa läpäisevä elektrodipinta. Nykyisissä laitteissa tämä kerros on valmistettu harvinaista indiummetallia sisältävästä yhdisteestä, mutta maapallon indiumvarantojen arvellaan ehtyvän noin kymmenen vuoden kuluttua.

Grafeeni vaikuttaa ihanteelliselta indium-yhdisteiden korvaajalta. Televisiokuvan tuottamiseen riittäisi ohuen ohut, vain yhden atomikerroksen paksuinen grafeenipinta.

Toistaiseksi grafeeninäyttöjä ja -aurinkokennoja on vasta hahmoteltu tutkimuslaboratorioissa. Matka ideasta kaupan hyllylle voi kuitenkin olla yllättävän lyhyt, sillä nykytekniikka istuisi miltei sellaisenaan grafeeniin. Pullonkaulana on vain se, ettei grafeenin mittavaan valmistukseen ole vielä tehokasta menetelmää.


Tuleeko soitto Tukholmasta?

Kaksidimensioisia materiaaleja on luultavasti mahdollista valmistaa lukuisista muistakin aineista kuin hiilestä. Tähän asti sekä kokeellinen että teoreettinen tutkimus on keskittynyt grafeeniin, jolta odotetaan suuria.

- Jos edes kymmenesosa sovellusideoista toteutuu, grafeenista tulee jättimenestys, Konstantin Novoselov toteaa.

Silloin Geim ja Novoselov olisivat myös itsestään selviä Nobelin palkinnon saajia.

Nobel täydentäisi hyvin hulluja ideoita rakastavan professori Geimin palkintokaappia. Siellä nimittäin komeilee jo huuhaa-nobeliksi tituleerattu palkinto, Ig-Nobel. Sen Geim sai vuonna 2000 levitoivaa sammakkoa koskevasta tutkimuksestaan. Näitä aitoja nobeleita parodioivia tunnustuksia jaetaan tutkimuksista, jotka "saavat ihmiset ensin nauramaan ja sitten ajattelemaan".


Laura Koponen on diplomi-insinööri ja tiedetoimittaja. Hän tekee väitöskirjaa materiaalifysiikasta.



Viisi syytä jättimenestykseen
















Ominaisuudet
- mekaanisilta ominaisuuksiltaan vahvin tunnettu materiaali
- sähkönjohtavuus poikkeuksellisen hyvä
- läpinäkyvä
Valmistus

- useita menetelmiä pienten grafeenipintojen valmistamiseen, ennätys neliösentin kokoinen ala
- massatuotanto-menetelmät puuttuvat

Kehitteillä olevia käyttökohteita - aurinkokennot
- litteät näytöt
- transistorit
- kemialliset anturit
Ehdotettuja käyttökohteita - vedyn varastointi vetyautoissa
- kvanttitietokoneet
Johdannaismateriaaleja
- grafeenioksidi (vahvikemateriaali,  akkumateriaali)
- piiyhdisteet (elektroniikkasovellukset)

Hiilestä on moneksi


Elollisessa luonnossa hiili muodostaa mitä moninaisimpia yhdisteitä yhdessä hapen, vedyn, typen ja muiden alkuaineiden kanssa. Yksinkin esiintyessään hiili on erityisen monipuolinen alkuaine.

Timantti on hiiltä, jossa atomit ovat järjestyneet säännölliseksi kolmiulotteiseksi hilarakenteeksi. Lyijykynien "lyijy" eli musta ja tahraava grafiitti puolestaan muodostuu päällekkäin pinoutuneista hiilitasoista.

1980-luvun sensaatioita olivat fullereenit ja nanoputket. Niiden ensimmäiset sovellukset, kuten nanoputkilla vahvistetut sukset, ovat jo kaupoissa.

Sittemmin on myös kehitetty erilaisia sekarakenteita, esimerkiksi "nanosipuleita", jotka maatuskanukkejen tavoin koostuvat sisäkkäisistä fullereeneista. Suomessa on luotu materiaali, jossa nanoputken pinta on täynnä siihen kiinnittyneitä fullereeneja, nanonuppuja.

Hiilen kaksiulotteinen olomuoto, grafeeni, piiloutui tutkijoilta viime vuosiin asti. 2004 löydetty grafeeni on hiilikalvoa, jota ohuempaa ei voi olla: siinä on ainoastaan yksi atomikerros. Hiiliatomit ovat järjestyneet kuusikulmioiksi, kuten fullereeneissa ja nanoputkissa.

Millimetrin paksuisessa grafiittipalassa on grafeenikerroksia peräti kolme miljoonaa!


Grafeeni innostaa kvanttimekaanikkoja


Grafeenin elektronit ovat ainutlaatuisen vauhdikkaita. Näennäisen massattomuuden ja suuren nopeuden takia niiden liikkeen kuvaamiseen tarvitaan järeät työkalut: suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka.

Tavallisissa laboratorioissa elektroneja ei pystytä kiihdyttämään lähellekään valon nopeutta. Grafeenia tutkimalla päästään siis tarkastelemaan ilmiöitä, joita yleensä havaitaan vain äärimmäisissä oloissa - neutronitähtien räjähdyksissä tai alkuräjähdyksen jälkeisinä hetkinä. Maan pinnalla lähelle tällaisia oloja on aiemmin päästy vain hiukkaskiihdyttimissä.

Fysiikan tutkijat eri puolilla maailmaa suunnittelevat, miten grafeenin avulla saataisiin näytettyä toteen eksoottisia, teorioiden ennustamia ilmiöitä. Tällainen on esimerkiksi Kleinin paradoksi.

Kun pallo heitetään seinään, se kimpoaa takaisin. Kvanttimekaniikassa hiukkanen voi myös kulkea seinän läpi; tätä kutsutaan tunneloitumiseksi. Kleinin paradoksi sanoo, että kun hiukkasella on tarpeeksi nopeutta, se menee aina seinän läpi, oli seinä miten tukevaa tekoa tahansa.

Ilmiö saadaan esiin koejärjestelyllä, jossa grafeenipalaan kohdistetaan ulkoinen sähkökenttä ja havainnoidaan elektronien liikettä. Periaate on yksinkertainen, mutta käytännössä kokeet ovat vaativia. Ilmiö on kuitenkin jo onnistuttu todentamaan, ja lisätutkimukset ovat meneillään.

Kätevä sana on valunut moneen käyttöön.

Makea vesi kuuluu elämän perusedellytyksiin. Siksi tuntuu itsestään selvältä, että vesi-sana kuuluu suomen kielen vanhimpiin sanastokerroksiin.

Se ei kuitenkaan ole alun perin oma sana, vaan hyvin vanha laina indoeurooppalaisista kielistä, samaa juurta kuin saksan Wasser ja englannin water.

Suomensukuisissa kielissä on toinenkin vettä merkitsevä sana, jota edustaa esimerkiksi saamen čáhci, mutta sen vastine ei syystä tai toisesta ole säilynyt suomessa. Ehkäpä indoeurooppalainen tuontivesi on tuntunut muodikkaammalta ja käyttökelpoisemmalta.

Tarkemmin ajatellen vesi-sana on monimerkityksinen. Luonnon tavallisimman nesteen lisäksi se voi tarkoittaa muunkinlaisia nesteitä, kuten yhdyssanoissa hajuvesi, hiusvesi tai menovesi.

Vesiä voi erotella käsittelyn tai käyttötarkoituksen mukaan, vaikka Suomen oloissa juomavesi, kasteluvesi ja sammutusvesi ovatkin usein samaa tavaraa. Sade- ja sulamisvesistä tulee varsinkin asutuskeskuksissa viemäröitävää hulevettä. Murteissa hulevesi tarkoittaa tulvaa tai muuta väljää vettä, esimerkiksi sellaista, jota nousee sopivilla säillä jään päälle.

Luonnon osana vesi voi viitata erilaisiin vedenkokoumiin, etenkin järviin. Suomen peruskartasta löytyy satoja vesi-loppuisia paikannimiä, joista useimmat ovat vesistönnimiä, kuten Haukivesi, Hiidenvesi tai Puulavesi.

Useat vesien rannalla olevat asutuskeskukset ovat saaneet nimensä vesistön mukaan. Vesi-sana ei enää suoranaisesti viittaa veteen, kun puhutaan vaikkapa Petäjäveden kirkosta tai Ruoveden pappilasta.

Vesi-sanasta on aikojen kuluessa muodostettu valtava määrä johdoksia ja yhdyssanoja. Näistä suuri osa on vanhoja kansanomaisia murresanoja, kuten vetelä, vetinen, vetistää ja vettyä.

Vesikosta on muistona enää nimi, sillä tämä vesien äärellä ja vedessä viihtyvä näätäeläin on hävinnyt Suomesta 1900-luvun kuluessa. Myyttisiä veden asukkaita ovat olleet vetehinen ja vesu eli vesikyy, jotka mainitaan myös Kalevalassa.

Antiikista 1700-luvun loppupuolelle asti uskottiin veden olevan yksi maailman alkuaineista. Sitten selvisi, että se onkin vedyn ja hapen yhdiste. Oppitekoinen uudissana vety tuli suomen kielessä tarpeelliseksi kuitenkin vasta 1800-luvun puolimaissa, kun luonnontieteistä alettiin puhua ja kirjoittaa suomeksi.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehden numerossa 11/2018

Alzheimerin tautiin tarkoitettu lääke auttoi unien hallintaa.

Jos haluat hallita uniasi, se voi onnistua muistisairauden hoitoon tarkoitetulla lääkkeellä. Lääke virittää ihmisen näkemään niin sanottuja selkounia, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Selkounessa ihminen tiedostaa näkevänsä unta ja pystyy jopa vaikuttamaan siihen.

Joka toinen ihminen on mielestään nähnyt selkounen ainakin kerran elämässään. Joka neljäs näkee niitä kuukausittain, arvioi parin vuoden takainen tutkimuskatsaus.

Alzheimerlääke auttoi tuoreessa yhdysvaltalaisessa tutkimuksessa koehenkilöitä selkouniin. Koehenkilöistä nuori nainen onnistui unessa rullaluistelemaan tavaratalossa, kun oli ensin suunnitellut sitä valveilla.

”Luistelimme ystäväni kanssa pitkin käytäviä. Oli niin hauskaa, että upposin täysillä uneen mukaan”, 25-vuotias nainen kuvailee.

Unet olivat koehenkilöiden mukaan lääkkeen vaikutuksesta todentuntuisempia kuin ilman lääkettä. Yhdysvaltalainen tutkimus julkaistiin Plos One -lehdessä.

Kokeessa tutkijat harjoittivat yli 120 eri ikäistä koehenkilöä näkemään selkounia. Ryhmään oli valkoitunut ihmisiä, jotka muistavat unensa hyvin ja ovat kiinnostuneita selkounista.

He opettelivat tekniikoita, joiden pitäisi helpottaa selkouneen pääsyä. Pitkin päivää ja ennen nukkumaan menoa voi esimerkiksi toistella itselleen, että kun näen unta, muistan näkeväni unta.

Unia voi visualisoida eli harjoitella mielessään etukäteen. Selkouneen päästyään voi tehdä todellisuustestejä, kuten onnistuuko seinän läpi käveleminen tai leijuminen.

Lääkekokeessa, jota johti selkounien uranuurtaja Stephen LaBerge, koehenkilöt saivat galantamiinia. Sitä käytetään lievän tai kohtalaisen vaikean Alzheimerin taudin hoitoon.

Lääke terästää asetyylikoliinin määrää aivoissa. Asetyylikoliini huolehtii viestien välityksestä aivosolujen välillä, virkistää muistia ja kiihdyttää rem-unta. Juuri remvaiheessa ihminen näkee yleisimmin unia.

Suurimman annoksen galantamiinia saaneista 42 prosenttia pystyi kuvauksensa mukaan selkouniin. Osuus oli huomattavasti suurempi osa kuin muissa koeryhmissä.

Koehenkilöiden unta ei mitattu unilaboratorioiden laitteilla, joilla tallennetaan silmien liikkeitä ja elintoimintoja. Tulokset perustuivat koehenkilöiden kertomaan.

LaBerge seurasi kuitenkin toisessa tuoreessa tutkimuksessaan silmien liikkeitä unennäön aikana. Silmien liikkeet kiihtyvät rem-unen aikana.

Kun koehenkilöt siirtyivät selkouneen, he liikuttivat silmiään ennalta sovitusti vasemmalta oikealle. Sitten heidän piti seurata unensa kohteita, joita he olivat ennalta visualisoineet.

Silmät liikkuivat sulavasti, samoin kuin ihmisen seuratessa katseella todellista kohdetta. Kuviteltua kohdetta seuratessa silmät liikkuvat nykäyksittäin.

Tutkimus julkaistiin Nature Communications -lehdessä.

Kysely

Oletko nähnyt selkounta?

mdmx
Seuraa 
Viestejä5223
Liittynyt23.11.2009

Viikon gallup: Oletko nähnyt selkounta?

Käyttäjä4499 kirjoitti: Mikä on mt häiriö? Kuten sanoin, minusta lääkkeen käyttö tuohon tarkoitukseen on arveluttavaa. Siinä mennään ehkä peruuttamattomasti alueelle, jonne ei pitäisi mielestäni olla mitään asiaa suoranaisesti. Ehkä en nyt vain ymmärrä tarvetta nähdä hallittua "unta" - miksi ei vain kuvitella? Jos "hourailet" saman, tunnet sen varmaan voimakkaammin. Mutta toisaalta et ole siitä niin tietoinen kuin hereillä ollessa, vai mitä? Niin siis, siinä nimenomaan on täysin tietoinen että...
Lue kommentti