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.