Ihminen kokee maailman aivan eri tavoin kuin mikrobi
tai mikroskooppinen nanokone, koska eri kokoluokissa
luonnonlaeilla on eri merkitys. Erikokoisia eliöitä ja myös
tulevaisuuden nanokoneita yhdistää kuitenkin yksi ilmiö,
joka erottaa ne tavallisista koneista: mutkikkaan systeemin
taipumus dynaamiseen itsejärjestymiseen. Nanotekniikka on
mullistavaa, koska se on historian ensimmäinen tekniikan muoto, jossa ihminen pyrkii hyödyntämään mutkikasta mutta elotonta itsejärjestymistä.


tai mikroskooppinen nanokone, koska eri kokoluokissa
luonnonlaeilla on eri merkitys. Erikokoisia eliöitä ja myös
tulevaisuuden nanokoneita yhdistää kuitenkin yksi ilmiö,
joka erottaa ne tavallisista koneista: mutkikkaan systeemin
taipumus dynaamiseen itsejärjestymiseen. Nanotekniikka on
mullistavaa, koska se on historian ensimmäinen tekniikan muoto,
jossa ihminen pyrkii hyödyntämään mutkikasta mutta elotonta itsejärjestymistä.

Sisältö jatkuu mainoksen jälkeen

Sisältö jatkuu mainoksen alla





• Analogia on toisiaan vastaavien asioiden rinnas-tamista.


• Entropia tarkoittaa epäjärjestystä. Maailman-kaikkeuden epäjärjestys pyrkii lisääntymään. Paikal-lisesti entropia voi silti vähentyä, kunhan ympä-ristön entropia kasvaa.


• Fraktaalinen on rakenne, joka toistuu eri koko-luokissa samankaltaisena, esimerkiksi monien sani-aisten lehdenreunan muoto.


• Itsejärjestyminen eli itseorganisaatio tar-koittaa taipumusta sopivissa oloissa muodostaa itsekseen toimivia järjestelmiä. Se on eliöiden perusominaisuus, mutta sitä esiintyy myös elot-tomassa luonnossa mineraalikiteistä planeetta-kuntiin.


Dynaamisessa itsejärjestymisessä järjesty-neisyyden ylläpito kuluttaa jatkuvasti energiaa. Se on ominaista esimerkiksi eliöille, nanokoneille, maa-pallon sääjärjestelmälle ja aurinkokunnan toimin-nalle.


Staattisesti itsejärjestynyt rakenne ei järjes-tyttyään kuluta energiaa. Tällainen prosessi on esi-merkiksi mineraalien kiteytyminen.


• Kompleksinen systeemi on mutkikas sys-teemi, jossa esiintyy dynaamista itseorganisaatiota, esimerkiksi elävä eliö tai nanokone.


• Skaalaaminen on eri kokoluokkien tapahtumien vertailua.


Miltä tuntuisi uida vesipisarassa mikroskooppisena siimaeliönä? Tämä yksisoluinen, millin tuhannesosien mittainen otus pinkoo vedessä kymmenen kertaa oman pituutensa sekunnissa. Millaista se olisi?
Kun yritit kuvitella, niin todennäköisesti meni pieleen.


Siimaeliön liike on kaukana kaikesta siitä, mitä itse koet polskiessasi vaikkapa uima-altaassa. Siimaeliö nimittäin pysähtyy kuin seinään heti, jos sen siiman liike lakkaa. Eteneminen tyssää sekunnin miljoonasosassa, minä aikana eliö ehtii liukua vain noin tuhannesosan omasta pituudestaan.


Useimmiten yritämme ymmärtää outoja tilanteita analogian avulla eli kuvittelemalla itsemme niihin. Ihmisen rinnastaminen siimaeliöön ei kuitenkaan auta, koska kyse on aivan eri kokoluokan ilmiöistä. Mittakaavan vaihtuessa kannattaa ottaa käyttöön analogiaa täsmällisempi työkalu: skaalaaminen, joka voidaan pukea myös matemaattiseen muotoon.



Siimaeliön tapauksessa skaalaamisessa auttaa Reynoldsin luku, joka kertoo, mikä on nesteessä liikkuvaan kappaleeseen vaikuttavien hitaus- ja kitkavoimien suhde.


Hitausvoima aiheuttaa sen, että liike jatkuu, vaikka liikkeen aiheuttanut voima on lakannut vaikuttamasta. Siimaeliön kokoluokassa Reynoldsin luku on pieni, joten hitausvoima on huomattavasti pienempi kuin kitkavoima. Siksi siimaeliö kokee veden kitkan suureksi, eli vesi on sille hyvin sitkasta nestettä.


Entä jos ajatuskokeessa asetetaan ihmisen suoritukselle samat ehdot eli sama Reynoldsin luku kuin siimaeliölle? Ei riitä, että ihmisen pitäisi uida sekunnissa kymmenen kertaa pituutensa, mikä sekin on mahdotonta, vaan ihmisen pitäisi kaiken kukkuraksi tehdä temppu siirapissa!






• Nanotiede on uusi, muodostumassa oleva tieteenala, jossa muun muassa fysiikka, kemia ja biologia sulautuvat yhteen nano-kokoisten perusilmiöiden tutkimisessa. Kyse ei ole vain mainittujen tieteenalojen sovel-tamisesta nanoskaalaan vaan kokonaan uu-desta alueesta, jolle muodostuu omat mene-telmät, kuvaustavat ja lainalaisuudet.


• Nanotekniikka on nanotieteen tulosten soveltamista ja käyttämistä teknisissä sovel-luksissa tutkimusvälineistä arkipäivän lait-teisiin.


• Nanorakenne on joko molekyyleistä koko-amalla tai materiaaleista muovaamalla val-mistettu nanokokoinen rakenne, joka ei vielä ole kompleksista tekniikkaa. Esimerkiksi yhden elektronin transistoreja voidaan valmistaa joko puolijohdemateriaaleista tai molekyy-leistä, mutta niitä ei kyetä vielä valmistamaan suuria määriä riittävän nopeasti (rajallinen itsejärjestyminen) tai kytkemään toimiviksi kokonaisuuksiksi (rajallinen itseohjautuvuus). Kaikki nykyinen nanotekniikka on nanora-kenteita.


• Nanokone on tulevaisuuden komp-leksista nanotekniikkaa: keinotekoinen molekyylien tai mikrobien kokoinen itse-järjestynyt laite, joka ohjaa itse toimintaansa. Nanotekniikka ei kuitenkaan vielä ole näin pitkällä.


Lähinnä kompleksista tekniikkaa ollaan nykyisin biotekniikassa. Elävät solut ovat nimittäin luonnon tuottamia "nanokoneita", ja moderni biotekniikka on niiden manipulointia.



Siimaeliöesimerkki havainnollistaa yhtä skaalojen perusasiaa: vaikka luonnonlait ovat kaikissa kokoluokissa samat, niillä on eri mittakaavoissa eri merkitys.


Luontoa voi ajatella venäläisenä maatuskanukkena, jossa sisäkkäiset nuket eli eri kokoluokat ovat hieman erilaisia. Kukin luokka on rakenteiltaan ja toiminnaltaan omanlaisensa, koska kukin eroaa toisista sen suhteen, mitkä luonnonlait, -voimat ja -ilmiöt ovat merkittävimpiä.


Omassa kokoluokassamme painovoima on tärkein voima. Sen ansiosta pysymme maapallon pinnalla ja uppoamme veteen.


Esimerkiksi vesimittarille, alle kymmenesosagramman painoiselle veden pinnalla liukuvalle hyönteiselle, merkittävämpiä ovat molekyylien väliset voimat. Ne aiheuttavat veden pintajännityksen, jonka ansiosta tämän kokoinen eläin pysyy pinnalla. Toisin sanoen vesimolekyylien väliset voimat ovat suurempia kuin pientä hyönteistä upoksiin kiskova painovoima.


Käytännössä skaalaaminen on tärkeä menetelmä arvioitaessa vaikkapa jonkin tietyn tekniikan toimivuutta uudessa kokoluokassa. Kun nanotekniikan spesialistit suunnittelevat molekyylien kokoisia nanokoneita, oman kokoluokkamme koneista saaduista kokemuksista ei ole heille juuri apua.


Mikroskooppisen siimaeliön uintitekniikka kuvaa rinnastamisen vaikeutta hyvin. Ei ole sattumaa, että liikkumaelimenä on juuri siima, sillä se on tuon kokoiselle otukselle paras mahdollinen väline nesteessä etenemiseen. Meidän mittakaavassamme toimii potkuri, mutta siimaeliöllä se olisi tehoton.



Ajatus pienenevistä maatuskanukeista sopii esimerkiksi eliömaailman kokoluokkiin, mutta mielikuva käy sitä harhaanjohtavammaksi mitä laajemmassa mittakaavaskaalassa liikutaan. Kokoluokkien erilaisuuden vuoksi maailmankaikkeus ei ole rakenteeltaan fraktaalinen, eli samat rakenteet eivät toistu läpi kaikkien tasojen. Luonnosta kyllä löytyy toistuvia rakenteita, mutta yleensä ne rajoittuvat muutamaan perättäiseen kokoluokkaan.






Nanorakenteiden maailmanmarkkinoiden en-nustetaan kasvavan 30-40 prosenttia vuodessa. Alle millimetrin kymmenestuhan-nesosan eli alle sadan nanometrin kokoluo-kassa saadaan materiaaleihin uusia säh-köisiä, optisia ja kemiallisia ominaisuuksia, joita voidaan hyödyntää.


Jo nyt nanorakenteita tai nanokoon partik-keleita käytetään esimerkiksi tietokonetek-niikassa, kosmetiikassa ja erilaisissa suoja-pinnoitteissa.


Petri Riikonen


Lisäksi maailmankaikkeuden kokoskaaloissa on epäjatkuvuuskohtia. Yksi tällainen aukko on atomien ja alkeishiukkasten kokoluokkien välissä. Alkeishiukkasista välittyy ylemmälle eli atomien tasolle vain kolme perusominaisuutta, jotka ovat massa, varaus ja spin, hiukkasten "pyörimistä" kuvaava ominaisuus.


Mitä uusia tuloksia hiukkastutkimus saavuttaakaan, sillä ei juuri ole vaikutusta atomien saati sitten niistä rakentuvien suurempien kokonaisuuksien tutkimukseen. Onkin aika harhaanjohtavaa, että fyysikkojen nykyisin hakema, luonnon neljä perusvoimaa yhdistävä teoria on nimetty "kaiken teoriaksi" (Theory of Everything).


Kun vertailtavat kokoluokat ovat riittävän kaukana toisistaan, ei skaalaamisestakaan ole aina apua. Suuremmissa kokoluokissa skaalauslait perustuvat klassiseen fysiikkaan, mutta atomien ja molekyylien kokoluokassa tarvitaan uutta teoriaa: kvanttimekaniikkaa. Sen mukana tulee uusia ilmiöitä, joille ei ole vastineita klassisessa fysiikassa.


Atomin ja maapallon kokojen väliin mahtuu useita kokoluokkia, ja niiden välillä on jatkuvaa vuorovaikutusta. Siksi joukoittain erilaisia hierarkkisia rakenteita ja prosesseja syntyy koko ajan itsestään, eli maailmamme on hyvin monimuotoinen systeemi. Siihen verrattuna maailmankaikkeuden suuri rakenne ja alkeishiukkaset ovat hyvin yksinkertaisia.






Monimutkaisten nanokoneiden valmistaminen ei onnistu vielä nykytietämyksellä. Komplek-sista nanotekniikkaa ei siis vielä ole olemas-sa.


Ensinnäkin meiltä puuttuu kompleksisten järjestelmien teoria. Ilman sitä ei päästä todel-lisiin läpimurtoihin.


Toiseksi teoriaa varten pitäisi kehittää uusia matemaattisia menetelmiä ja entistä tehok-kaampia tietokoneita. Lisää laskentaka-pasiteettia tarvitaan kompleksisten järjes-telmien simulointiin.


Kolmanneksi tarvitaan entistä voimak-kaampaa panostusta monitieteisyyteen. Bio-logiasta voidaan oppia paljon.


Kaiken kukkuraksi mutkikas nanokone ei toimi missä vain vaan vaatii mutkikkaan ympä-ristön, joka sekin täytyy suunnitella.


Nyt ollaan lähtökuopissa, läpimurtoja vasta odotellaan. Voi kuitenkin ennustaa, että osa tulevaisuuden nanokoneista muistuttaa enemmän elävää luontoa kuin perinteistä konetta.


Jari Koponen


Lähteet: hdysvaltain National Nanotechnology Initiative ja Tekes



Kokoluokkien suurista eroista huolimatta luonnossa on kaksi periaatetta, jotka koskevat niitä kaikkia: kaikki järjestelmät pyrkivät mahdollisimman pieneen kokonaisenergiatilaan ja mahdollisimman suureen epäjärjestykseen eli entropiaan. Luonto siis minimoi energian ja maksimoi entropian.


Koska maailmankaikkeuden entropia pyrkii kasvamaan, järjestystä voi syntyä kaaokseen vain paikoin ja tilapäisesti. Toisaalta tällaista paikallista järjestystä muodostuu sopivissa oloissa aivan itsestään, sillä paikallinen järjestyminen ei vähennä kokonaisentropiaa, jos ympäristön epäjärjestys samalla lisääntyy.


Tällainen itsejärjestyvyys on sekin materian ominaisuus kaikissa kokoluokissa. Yleensä itsejärjestynyt rakenne kuitenkin ennemmin tai myöhemmin hajoaa yhtä spontaanisti kuin se syntyikin, ellei jokin energiasatsaus tue rakenteen ylläpitoa.


Maapallon elämäkin kehittyi molekyylien itsejärjestyvinä ja itseohjautuvina rakenteina ja prosesseina. Pelkän arkikokemuksen perusteella ihmisen on vaikea hahmottaa tätä, koska näemme vain luonnon näkymättömien prosessien tämänhetkiset lopputulokset.


Itsejärjestyvä prosessi on nanotekniikan kehittäjän kannalta kiinnostava siksi, että tällaista prosessia voidaan ohjata muokkaamalla siihen osallistuvia osasia. Kun alkuosaset suunnitellaan oikein, lopputulos syntyy ilman että tarvitsisi millään tavoin puuttua itse järjestymistapahtumaan.


Yksinkertainen itsejärjestyvä rakenne saadaan esimerkiksi pitkillä molekyyleillä, joiden toinen pää on vesiliukoinen ja loppuosa veteen liukenematon. Kun tällaisia molekyylejä pannaan veteen ja puristetaan sopivasti yhteen, vedenpintaan syntyy yhden molekyylin paksuinen kalvo, sillä molekyylien vesiliukoiset osat ovat vedessä ja liukenemattomat osat sojottavat ilmassa. Samalla periaatteella pystytään tuottamaan hyvinkin mutkikkaita itsejärjestyviä rakenteita.



Itsejärjestymistä on kahta päätyyppiä. Toista niistä, staattista itsejärjestymistä, edustaa esimerkiksi mineraalien kiteytyminen. Kun kide on muodostunut, se on pysyvä eikä se kuluta energiaa rakenteensa säilyttämiseen. Kiteinen olomuoto edustaa yleensä myös energeettisesti edullisinta järjestystä, joten tältä kannalta katsoen kiteytymisprosessikaan ei kuluta energiaa.


Sen sijaan dynaamisessa itsejärjestymisessä sekä järjestelmän muodostuminen että sen ylläpito kuluttavat energiaa.


Parhaita esimerkkejä dynaamisista itseorganisoituvista rakenteista ovat eliöyksilöt, joiden organisoitumisohje on niiden dna:n ja muiden molekyylien rakenteessa ja jotka ottavat ympäristöstään jatkuvasti ravintoa turvatakseen energiansaannin ja kasvun.


Yksittäisten yksilöiden lisäksi myös esimerkiksi bakteeripesäkkeet ja muurahaisyhteisöt ovat dynaamisia itsejärjestyviä systeemejä. Ilmiö ei rajoitu edes eliökuntaan, vaan maapallon mittakaavassa sääkin on tällainen järjestelmä. Aurinkokuntammekaan ei ole stabiili järjestelmä, vaan satojen miljoonien vuosien aikana se muuttuu paljon jo ennen Auringon kuolemista. Planeettojen radat eivät ole ikuisia. Sama periaate koskee myös galaksien muodostamia rakenteita.






Olisiko tässä uusi Suomelle sopiva huipputek-niikan osaamisalue, jolla pärjäisimme kansainväli-sessä kilpailussa? Niin uskoo ainakin Teknologian kehittämiskeskus Tekes, joka suunnittelee kan-sallista nanoteknologiaohjelmaa tukemaan alan tutkimusta ja tuotekehitystä. Valmistelu-seminaari järjestettiin tässä kuussa, ja itse ohjelman on määrä käynnistyä ensi vuonna.


Ohjelmaa edeltävän selvityksen mukaan Suomes-sa on jo yli 60 nanotekniikan parissa toimivaa yritystä. Nanopinnoitteiden ja nanotekniikkaan perustuvien mittausantureiden kehityksessä olemme jopa edelläkävijämaa.


Petri Riikonen


Lähde: Tekes



Koko dynaamisen itsejärjestymisen tutkiminen on vielä aivan alkuvaiheessaan. Parhaiten tunnetaan elävien solujen molekyylien toimintaa.


Solussa dynaaminen itsejärjestyminen on koodautuneena muun muassa dna:n ja proteiinien osasten muotoihin, pintaominaisuuksiin ja sähköisiin varauksiin.


Tämän tiedon perusteella ihminenkin voi oppia ohjelmoimaan tietynlaisen lopputuloksen spontaanin synnyn, jos hän saa muokatuksi lähtömolekyylien ominaisuudet sopiviksi. Molekyylikokoisten rakenteiden, kuten nanokoneiden, hallittuun kokoamiseen kehitetäänkin nykyisin menetelmiä juuri biologisia molekyylejä jäljittelemällä. Siksi nanokoneista tulee dynaamisesti itsejärjestyviä systeemejä.


Dynaamista itsejärjestymistä käytetään jo hyväksi biotekniikassa, mutta siinä ollaan eliöiden tuottamien, enintään hieman muokattujen molekyylien varassa. Sen sijaan nanotekniikassa on nyt ensimmäistä kertaa ihmiskunnan historiassa mahdollisuus kehittää täysin keinotekoista mutta aidosti kompleksista tekniikkaa. Kaikki aiempi on ollut hyvin yksinkertaista verrattuna vähäpätöisimpäänkin elävään soluun.


Tulevaisuudessa voidaan siis rakentaa täsmälleen halutunlaisia kompleksisia systeemejä. Tässä on nanoteknologian suurin lupaus.


Samalla voimme oppia ymmärtämään entistä paremmin muitakin mutkikkaita itsejärjestyviä systeemeitä - esimerkiksi itseämme.


Jari Koponen on nanoteknologiaan erikoistunut tutkija ja tietokirjoittaja.

Sisältö jatkuu mainoksen alla