Viime vuosisadan avainteknologia oli elektroniikka. Nyt on fotoniikan vuoro.

Teksti: Kalevi Rantanen

Viime vuosisadan avainteknologia oli elektroniikka. Nyt on fotoniikan vuoro.

Julkaistu Tiede -lehdessä 12/2010

Videolla näkyy vaalea hahtuva, joka pyörii ensin myötä- ja sitten vastapäivään. Hahtuva on plasmonimoottori, halkaisijaltaan sata ja paksuudeltaan 30 nanometriä eli millimetrin miljoonasosaa. Moottori pyörittää tilavuudeltaan noin 4 000 kertaa suurempaa piikiekkoa. Yhdysvaltalaistutkijoiden videon löytää helposti googlaamalla ”nano-sized light mill”.

Moottorin rakensivat nanotekniikkaspesialisti Xiang Zhangin johdolla kansallisen Lawrence Berkeley -laboratorion ja Kalifornian yliopiston UCLA:n tutkijat.

Pyörivä osa on kultaa ja muodoltaan gammadion eli pyöreäkulmainen hakaristi, joka muodostuu neljästä kreikan gamma-kirjainta muistuttavasta sakarasta. Ne toimivat värähtelypiireinä, jotka resonoivat moottoriin lankeavan valon kanssa. Ilmiötä voi verrata keinun vauhdittamiseen sysimällä. Pyörimissuunta vaihtuu, kun valonsäteen aallonpituutta muutetaan.

Saadakseen moottoriin voimaa tutkijat valjastivat töihin erään otuksen kvanttimekaniikan eläintarhasta: pintaplasmonin. Plasmonilla tarkoitetaan värähtelyn kvanttia plasmassa, sähköisesti varautuneessa kaasussa. Pintaplasmoni on plasmoni, joka värähtelee johteen ja eristeen rajapinnoilla.

Miksi hakaristin muotoinen?

Kalifornialainen moottori on vasta perustutkimusta mutta antaa suuntaa sille, mitä on tulossa.– Plasmoniikka eli metallisten nanorakenteiden optiikka on nykyisin yksi optiikan ja fotoniikan kuumista aiheista, sanoo professori Martti Kauranen Tampereen teknillisestä yliopistosta.

Pieniä komponentteja on opittu valmistamaan tarkasti. Aluksi nanomateriaalit olivat kalvoja tai palloja. Nyt hyödynnetään epäsymmetrisiä muotoja, jotka säätävät valon ja aineen vuorovaikutusta. Kalifornialaiset käyttivät hakaristiä siksi, että symmetrinen risti ei pyörisi.Myös Kaurasen oma ryhmä tutkii metallisten nanorakenteiden optisia ominaisuuksia.

Taustalla laserin huima kehitys

1900-luvun avainteknologia oli elektroniikka; 2000-luvulla vastaavan aseman saavuttaa fotoniikka. Näin kuvaa alan tunnelmia modernia optiikkaa ja optista mittaustekniikkaa tutkiva tohtori Erik Vartiainen Lappeenrannan teknillisen yliopiston matematiikan ja fysiikan laitoksesta. – Laserteknologian kehitystä 20 viime vuoden aikana voi verrata tietokone- ja prosessoriteknologian kehitykseen.

Juuri laser on paljolti mahdollistanut valomoottorinkin. Valon mekaanisen vaikutuksen ennusti James Maxwell jo vuonna vuonna 1871, ja säteilypaineen mittasi venäläinen fyysikko Pjotr Lebedev vuonna 1900, mutta vasta laserin keksiminen vuonna 1960 tarjosi tutkijoiden käyttöön riittävän voimakkaan säteen.

Seuraavina vuosikymmeninä kehitettiin vähitellen uusia laitteita, optisia pinsettejä ja loukkuja, joilla pystyttiin käsittelemään pieniä hiukkasia. Nykyään valonsäteillä esimerkiksi lajitellaan veren punasoluja ja ammutaan nanohiukkasia soluihin.

Pinsettiyhdistelmin hiukkasia on kuljetettu kaareviakin ratoja. Glasgow’n yliopiston tutkijat ovat saaneet mikroskooppiset lasikuulat tanssimaan valon voimalla skottilaista kyynärtanssia nimeltä strip-the-willow.

Toiset britit, optiikan tutkijat David McGloin Dundeen yliopistosta ja Jonathan P. Reid Bristolin yliopistosta, ovat valmistaneet pinsettejä, jotka kierrättävät mikros­kooppisia kappaleita ympyrärataa. Yksi sovellus on aerosolikaruselli, joka kerää aerosolin pisaroita jonottamaan tutkimuslaitteen mittausalueelle. Näin ilmakehän aerosoleja ja niiden vaikutuksia voi tutkia entistä helpommin. Mikroskooppisen kappaleen pyörittäminen valolla on luonteva askel kehityksessä.

Mihin valomoottori sopii?

Mikro- ja nano-optiikan tutkija, professori Erez Hasman israelilaisesta Technion-yliopistosta luettelee valomoottorin etuja: Ei tarvita sähköjohtoja. Ei tarvita polttoainetta, kuten aiemmin tutkituissa molekyylimoottoreissa, jotka syövät energiavarastomolekyyli atp:tä. Nopeutta ja pyörimissuuntaa voi säätää etäältä valonsäteellä. Mate­riaali, kulta, on bioyhteensopivaa.

Zhang ja hänen työtoverinsa uskovat, että valomoottorit sopivat biotekniikkaan avaamaan ja sulkemaan dna-molekyylien kaksoiskierteitä. Valomoottorit voivat toimia auringonvalolla, joten niillä saa kerätyksi aurinkoenergiaa. Useita moottoreita, jotka toimivat eri taajuuksilla, voi kytkeä yhteen. Professori Kauranen pitää näitä ajatuksia vielä varsin spekulatiivisina.– Tie sovelluksiin on pitkä. Aika näyttää. Jotkin tutkimustulokset johtavat merkittäviin sovelluksiin, jotkin hiipuvat. Tämän ennustaminen perustutkimusvaiheessa on lähes mahdotonta. Tohtori Vartiaisen mukaan moottori osoittaa tekniikan mahdollisuuksia, vaikka tulevaisuuden sovellukset saattavat olla toisen näköisiä.– Olennaista on, että molekyylejä kyetään liikuttelemaan valolla. Lääketieteessä sovellus voi olla täsmällinen syöpähoito, jossa lääkettä tarvitaan minimaalinen annos.

Ehkä valomoottori on nyt samassa kehitysvaiheessa kuin sähkömoottori Mic­hael Faradayn aikana. Piirros hänen kokeestaan vuonna 1821 näyttää langanpätkän, joka pyörii magneettisen sauvan ympäri. Kokeen tekijät tuskin pystyivät kuvittelemaan miljoonia sähkömoottoreita, joiden valmistamisen heidän löytämänsä ilmiöt mahdollistivat.

Palstan pitäjä Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede –lehden vakituinen avustaja.

Hyvä harrastus – ja helppo. Lukemista löytyy aina. Kuva: Shutterstock

Kieli rikastuu, ajattelu syvenee ja sosiaalinen taju kehittyy.

Tietokirjan järki on selvä: saa tietoa, jolla jäsentää maailmaa ja vaientaa mutuilijat. Riittävästi tietoa hankkimalla tulee asiantuntijaksi, ja sillä on selvä hyötyarvo.

Entä missä on fiktion lukijan tulosvastuu? Mitä itua on kuluttaa aikaansa tuntitolkulla hatusta vedettyjen ihmisten hatusta vedettyihin edesottamuksiin? Paljonkin: romaani tai novelli opettaa toimimaan muiden ihmisten kanssa.

Fiktio simuloi sosiaalista maailmaa, esittää asiaa tutkinut Toronton yliopiston psykologian professori Keith Oatley. Niin kuin lentosimulaattori opettaa lentotaitoja, sosiaalisten tilanteiden simulaattori – romaani – opettaa sosiaalisia taitoja.

Kokeet vahvistavat, että fiktiota lukeneet tajuavat paremmin so­siaalisia kuvioita kuin tietotekstiä lukeneet. 

Suvaitsevaisuus kasvaa

Kuvitteellisesta tarinasta on sekin ilo, että pääsee väliaikaisesti jonkun toisen nahkoihin. Samastuminen tarinan henkilöön voi muuttaa lukijan käyttäytymistä ja pistää asenteet uusiksi, ovat kokeillaan osoittaneet Ohion yliopiston tutkijat.

Samastumisella on vaaransa. Romaanin aiheuttama itsemurha-aalto koettiin 1700-luvun lopulla, kun nuoret onnettomat miehet matkivat Johan Wolfgang von Goethen päähenkilön tekoa Nuoren Wertherin kärsimyksissä.

Ohiolaistutkimuksessa vaikutus oli rakentavampi: kun nuoret aikuiset olivat lukeneet tarinan miehestä, joka meni äänestämään, he menivät hanakammin vaaliuurnille vielä viikon kuluttua lukemisesta. He olivat saaneet kansalaishyvetartunnan.

Valkoihoisten suvaitsevaisuutta taas kasvattivat tarinat, joissa päähenkilö osoittautui homoseksuaaliksi tai afroamerikkalaiseksi. Lukijoilta karisi myös stereotypioita. Tämä kuitenkin edellytti, että päähenkilön ”erilaisuus” paljastui vasta tarinan myöhemmässä vaiheessa ja lukijat olivat ehtineet asettua hänen nahkoihinsa.

Stressi väistyy

Kun uppoutuu lukemaan, maailman meteli jää kauas ja paineet hellittävät. Tuttu tunne, josta on myös tieteelliset näytöt: lukeminen poistaa stressiä.

Terveystieteen opiskelijat saivat Yhdysvalloissa tehdyssä tutkimuksessa lukeakseen netistä ja aikakauslehdestä poimittuja artikkeleita, jotka käsittelivät historiallisia tapauksia ja tulevaisuuden innovaatioita. Aihepiirit olivat siis kaukana tenttikirjojen pakkolukemistosta.

Puolentunnin lukutuokio riitti laskemaan verenpainetta, sykettä ja stressin tuntua. Huojennus on yhtä suuri kuin samanpituisella joogahetkellä tai televisiohuumorin katselulla. Mikä parasta, apu löytyy helposti, lukemista kun on aina saatavilla.

Sanasto karttuu

Kirjoitettu kieli on ylivoimaisesti suurempi uusien sanojen lähde kuin puhuttu. Erot lasten sanavaraston runsaudessa voi johtaa suoraan siihen, miten paljon he altistuvat erilaisille teksteille, vakuuttavat lukemisen tutkijat Anne Cunningham ja Keith Stanovich.

Tiuhimmin uutta sanastoa kohtaa tieteellisten julkaisujen tiivistelmissä: tuhatta sanaa kohti harvinaisia on peräti 128. Sanoma- ja aikakauslehdissä harvinaisten sanojen tiheys nousee yli 65:n ja aikuisten kirjoissa yli 50:n.

Lastenkirjakin voittaa sanaston monipuolisuudessa televisio-ohjelman mennen tullen. Lapsilukija kohtaa kirjassa yli 30 harvinaista sanaa tuhatta kohti, kun aikuisten telkkariviihdettä katsoessa niitä tulee vastaan 23 ja lastenohjelmissa 20.

Juttelukaan ei pahemmin kartuta sanavarastoa. Aikuispuhe sisältää vain 17 epätavallista sanaa tuhatta kohti.

Syntyy omia ajatuksia

Ihmisen aivoja ei ole ohjelmoitu lukemaan. Kun taito kehittyi 5 500 vuotta sitten, näkemiseen, kuulemiseen, puhumiseen ja ajatteluun rakentuneet alueet alkoivat tehdä uudenlaista yhteistyötä.

Nyt olemme jälleen uudenlaisen lukukulttuurin alussa. Verkkolukeminen on tullut jäädäkseen, ja jotkut pelkäävät, että tyhmistymme, kun totutamme aivomme ärsyketulvaan ja pikaselailuun netissä. Tiedonvälitys on lisääntynyt räjähdysmäisesti mutta niin myös häly.

Syventyvän lukemisen kohtalosta kantaa huolta professori Maryanne Wolf Tufts-yliopistosta. Tapaa näet kannattaisi vaalia. Aivokuvaukset paljastavat, että paneutuva lukija käyttää laajasti molempia aivopuoliskojaan. Hän ei vain vastaanota kirjoittajan sanomaa vaan vertaa sitä aiemmin hankkimaansa tietoon, erittelee sitä ja rakentaa omaa ajatteluaan. Pintalukijalla ei tähän ole aikaa.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 12/2012 

Täysin raittiiden suomalaisnuorten osuus on moninkertaistunut vuosituhannen alusta.

Nuoruus raitistuu, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Nuorten alkoholin käyttö kasvoi vuoteen 1999, joka oli myös kaikkein kostein vuosi. Silloin vain joka kymmenes yhdeksäsluokkalainen ilmoitti, ettei ollut koskaan käyttänyt alkoholia.

Sittemmin täysin raittiiden osuus on moninkertaistunut, ilmenee vuoteen 2015 ulottuneesta eurooppalaisesta, nuorten päihteidenkäyttöä käsittelevästä Espad-tutkimuksesta.

Jopa muut eurooppalaiset jäävät jälkeen. Suomessa täysin raittiita 15–16-vuotiaista nuorista on joka neljäs, kun Euroopassa heitä on keskimäärin joka viides.

Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen THL:n erikoistutkija Kirsimarja Raitasalo kollegoineen on ­koettanut tunnistaa niitä nuoruuden muutoksia, jotka voisivat selittää humalan hiipumista.

Ratkaisevaa näyttää olleen ainakin se, että alaikäisten on yhä vaikeampi saada alkoholia. Nykynuoret kokevat sen selvästi hankalammaksi kuin aiemmat ikäpolvet.

Kauppojen omavalvonta on osaltaan tehonnut. Kassoilla kysytään kaikilta alle 30-vuotiaan näköisiltä papereita.

Vanhemmat ja muutkin aikuiset ovat tiukentaneet asenteitaan nuorten juomiseen.

”Tietoisuus alkoholin haitoista on ehkä lisääntynyt. On tullut paljon tutkimustietoa esimerkiksi siitä, miten alkoholi vaikuttaa nuorten aivojen kehitykseen”, Raitasalo pohtii.

Nuorten omakin maailma on muuttunut toisenlaiseksi. Älylaitteet, pelit ja sosiaalinen media kyllästävät arkea. Pussikaljoittelu joutuu kilpailemaan monen muun kiinnostavan ajanvietteen kanssa ja on ehkä osittain hävinnyt niille.

Juovuksissa olemisesta on ehkä tullut myös tyylirikko. Nuoret eivät enää näytä arvostavan kännissä örveltämistä.

Kysely

Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Neutroni
Seuraa 
Viestejä25798
Liittynyt16.3.2005

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Käyttäjä4809 kirjoitti: Eiköhän syy ole -90 luvulla alkaneen laman menetetyt työpaikat ja samalla supistettu koulutus, minkä seurauksena vuodestä -99 alkaen vanhemmilla ei enää ole ollut niin paljon rahaa annettavaksi nuorisolle. Sekä myös nuorisolle soveltuvien työpaikkojen vähentyminen ja samaan aikaan tapahtunut kohtuuton vuokrien nousu, vasinkin pääkaupunkiseudulla. En tiedä, mutta en usko rahaan. Esimerkiksi kilju, 10 % juoma joka maksaa joitain senttejä litralta, tuntuu olevan...
Lue kommentti
molaine
Seuraa 
Viestejä1189
Liittynyt3.8.2011

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

En kyllä usko, että rahalla on iso merkitys ja veikkaan, että käytettävissä olevat rahat on vain kasvaneet, jos verrataan vaikka omaan nuoruuteen. Ei viina suomessa ole niin kallista, etteikö köyhälläkin olisi varaa dokailla. Oma junnu ei läträä lainkaan viinan kanssa. Iso osa kavereistakaan ei, vaikka osa ilmeisesti jonkin verran lipittelee. Kyllä nuorten asenteet on mielestäni muuttuneet ihan selkeästi. Ehkä alkoholipolitiikka on toiminut? Kotoa ei meillä kyllä tällaista ole opittu...
Lue kommentti

Panterarosa: On selvää, että "Partitava kisaa kurupati-kuvaa" ei oikein aukene kehitysmaalaisille N1c- kalmukinperseille.