Mitä isompi kultakimpale, sen parempi, on ajateltu tuhansia vuosia. Nyt nanotutkijat kääntävät asiat päälaelleen. He hienontavat metallien kuninkaan atomirypäiksi, sillä tässä muodossa


Nyt nanotutkijat kääntävät asiat päälaelleen. He hienontavat metallien
kuninkaan atomirypäiksi, sillä tässä muodossa

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Kulta on vuosituhansia ollut arvostetuin - ja himotuin - metalli. Sitä on uhrattu jumalille. Sillä on osoitettu maallista valtaa ja vaurautta. Sen takia on solmittu liittoja ja sodittu. Sitä on koetettu valmistaa alkemian keinoin. Sen perään on rynnätty suurin joukoin ja vaivoja kaihtamatta.


Kulta on lumonnut ihmiset harvinaisuudellaan mutta myös loistollaan. Siksi sillä on koristeltu kirkkoja ja palatseja. Siksi siitä on tehty koruja, rahoja ja muita arvotavaroita, joita kelpaa kantaa ja katsella.


Kulta sopii näihin tarkoituksiin hyvin, sillä pehmeänä ja erittäin sitkeänä ja venyvänä metallina se muokkautuu helposti. Se myös säilyttää kirkkaan kimalluksensa ikuisesti, sillä se ei reagoi esimerkiksi ilman hapen kanssa. Tästä syystä kultaesineitä ei tarvitse kiillottaa niin kuin hopeaesineitä.


Kemiallisen reagoimattomuuden ansiosta kulta ei syövy niin kuin muut metallit. Sitä liuottavat vain elohopea, syanidi ja keskiajan alkemistien kuningasvesi, typpi- ja vetykloridihapon sekoitus.


Kun syöpymättömyystakuuseen lisätään erittäin hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus ja valonheijastuskyky, käy selväksi, miksi kulta on myös tekniikan materiaali. Se sopii puolijohteisiin, optisiin komponentteihin ja avaruusluotaimiin.


Nyt nanotekniikka tarjoaa kullalle uusia tehtäviä - ja tutkimukselle uusia haasteita. Kiinnostus kultaan ei suinkaan ole hiipumassa vaan päinvastoin kasvaa jälleen.


Nanokulta on erilaista


Nanotutkijoita kiinnostavat mahdollisimman pienet kultahiput, nanometrien eli millimetrin miljoonasosien kokoiset kulta-atomien rypäät, joita kutsutaan myös klustereiksi.


Yhdessä rypäässä voi olla kulta-atomeja kahdesta kappaleesta tuhansiin, mutta toisin kuin kultapalasta ne pystytään laskemaan esimerkiksi tunnelointi- ja atomivoimamikroskoopeilla. Kultapalasta rypään erottaa myös se, etteivät atomit järjesty säännölliseksi kiteeksi vaan muodostavat kolmiulotteisia mahdollisimman pyöreitä rakenteita; pienissä kokoluokissa tavataan myös tasomaisia rakenteita.


Rypäässä on paljon pinta-atomeja suhteessa sisäatomeihin, ja pinta-atomien sidokset ovat heikommat kuin sisäatomien. Nämä ominaisuudet tekevät rypäistä nanoteknisesti kiinnostavia.


Atomien lukumäärää vaihtamalla voidaan säätää rypäiden kokoa ja rakennetta ja samalla esimerkiksi niiden energeettisyyttä ja kestävyyttä. Näillä on merkitystä, kun räätälöidään vaikkapa molekyylikytkimiä ja nanomuisteja tietokoneisiin tai nanolankoja ja -pääl-lysteitä elek-troniikkaan.


Mielenkiintoisin kultarypäiden ominaisuus on kuitenkin vielä mainitsematta: se on reaktiivisuus. Tavallisesta kullasta poiketen kultarypäät reagoivat muun muassa hapen kanssa ja sopivat katalyytiksi, eli ne pystyvät käynnistämään tai nopeuttamaan kemiallisia reaktioita kulumatta niissä itse.


Reaktiivisuus on viime vuosina hallinnut koko kultaryvästutkimusta. Suurta kiinnostusta selittävät muun muassa ympäristötekniset lupaukset. Kyltarypäistä kaavaillaan laitteita, jotka pienentävät päästöjä ja hävittävät ilmasta epäpuhtauksia.


Pois paha hiili ja typpi


Suomessa kullan reaktiivisuutta tutkitaan innokkaasti Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksessa. Materiaalifysiikan dosentti Hannu Häkkinen selvittää, miten kultarypäät katalysoivat hiilimonoksidin muuttumista hiilidioksidiksi.


Hiilimonoksidia, joka tunnetaan kansanomaisemmin häkänä, kertyy ilmaan autojen pakokaasuista ja teollisuus- ja energialaitosten päästöistä. Se on terveydelle vaarallista, ja sille altistutaan etenkin kaupunkien taajamissa. Pulma ratkeaisi, jos hiilimonoksidi voitaisiin muuttaa hiilidioksidiksi. Sitä esiintyy ilmakehässä luonnostaan, joten se on terveydelle vaaratonta.


Hiilimonoksidin muuttumista hiilidioksidiksi voidaan yleensä katalysoida vain korkeissa lämpötiloissa, yli 600 asteessa. Pieni kultaryväs pystyy kuitenkin katalysoimaan reaktiota selvästi alhaisemmissa lämpötiloissa, jo noin 20 asteessa.


Kun kultarypääseen sitoutuu happimolekyyli, sen kahden happiatomin välinen sidos heikkenee, koska kulta-atomit siirtävät happimolekyyliin varausta, elektroneja. Näin happiatomit virittyvät eli ovat valmiita reagoimaan muiden aineiden kanssa. Kultaan sitoutuu myös hiilimonoksidia, ja kun sen hiiliatomi reagoi virittyneen hapen kanssa, muodostuu hiilidioksidia. Se on hiilimonoksidia vakaampi kaasu ja irtoaa kultarypäästä. Prosessi sujuu jo matalissakin lämpötiloissa, koska virittyneen hapen ja hiilimonoksidin reaktio vaatii vähemmän energiaa kuin happimolekyylin ja hiilimonoksidin suora reaktio.


Kultarypäät pystyvät katalysoimaan myös typen oksideja, jotka niin ikään ovat peräisin liikenteestä ja energiantuotannosta. Kulta muuttaa typen oksidin ensin astetta pienemmäksi oksidiksi, ja kun reaktio toistetaan uudelleen ja uudelleen, typpioksidi muuttuu lopulta puhtaaksi typpimolekyyliksi. Typpeä esiintyy ilmakehässä luonnostaan, kun taas typen oksidit ovat tervey-delle vaarallisia.


Työtä paljon edessä


Japanissa kultakatalyysiä jo kokeillaan. Sillä raikastetaan wc-tiloja poistamalla ilmasta typen yhdisteitä. Kaupunki-ilman suojeluun kullalla on vielä matkaa.


Ongelmana on esimerkiksi se, kuinka kulta saadaan hienonnettua tarpeeksi pieniksi hitusiksi. Toinen pulma on, miten kulta saadaan pysymään nanohippuina. Kullalla on näet taipumus reagoida toisten hitusten kanssa ja muodostaa yhä suurempia hippuja. Kasvaessaan liian isoiksi, yli parin nanometrin ne menettävät katalyyttiset ominaisuutensa.


Ongelmien parissa työskentelee kuitenkin useita tutkijaryhmiä ympäri maailmaa, ja ongelmat varmasti ratkeavat, kun saadaan enemmän tietoa rypäissä tapahtuvien reaktioiden perusmekanismeista.

Kirsi Manninen on fysiikan tohtori, joka tutkii atomirypäitä yhteistyössä Jyväskylän yliopiston Nanoscience Centerin kanssa.


Lisää kullasta: http://www.gold.org/


Nanotekniikkaa Tiede-lehdessä: Nano-kemisti kehittää kojeita molekyyleistä, 2/2003; Putki täynnä mahdollisuuksia, 3/2004; Nanokoneesta tulee erilainen kone, 7/2004; Nanotekniikkaa turha pelätä, 7/2004.

Sisältö jatkuu mainoksen alla