Kaikki kulta ei kiillä eikä sitä edes näe – nanokokoiset kultapartikkelit yllättävät monipuolisuudellaan

Nanotutkimuksessa kulta on millimetrin miljoonasosan kokoisina palasina.

nanotekniikka
Kultaklusteri ja virus
Kuvassa on kultaklusteri vasemmalla ja oikealla viruksen pinnalle kiinnittyneitä kultaklustereita. Jyväskylän yliopisto / Sami Malola

Kun kultasuoloja käsitellään liuoksissa, syntyy kullan nanopartikkeleita, joiden pinnalle tarttuu suojaavia molekyylejä. Ne taas sitovat partikkelin tiettyyn muotoon ja rakenteeseen.

– Monet molekyylit reagoivat kullan kanssa tällä tavalla. Menetelmä on ollut tunnettu jo noin 30 vuotta, Nanotiedekeskusta vuoteen 2017 johtanut akatemiaprofessori Hannu Häkkinen sanoo.

Kultapartikkelien monipuolisuus mahdollistaa niiden käytön esimerkiksi mikroskooppisessa kuvantamisessa, lääkeaineiden kuljettajina solun sisään ja erilaisten kemiallisten reaktioiden kiihdyttäjinä.

Kuparille ei vastaavia menetelmiä tunneta eikä ole kehitettykään. Niin kupari- kuin hopeapartikkeleidenkin ongelmana on, että ne reagoivat ilman hapen kanssa eivätkä pysy stabiileina. Päivien tai viikkojen kuluessa näyte menee piloille hapettumisen takia.

Nanokokoiset kultapartikkelit eivät reagoi hapen kanssa ja pysyvät samanlaisena. Näytteet säilyvät jauheena jääkaapissa kuukausia tai vuosia. Materiaalia on helppo käsitellä, kun näytteet on tehty.

Kullan ohella muutkin metallit voisivat toimia vastaavasti, mutta niiden nanopartikkeleiden valmistusta ei hallita yhtä hyvin eivätkä partikkelit ole yhtä stabiileita ja käyttökelpoisia. Tämän takia kultaa on tutkittu pitkään ja tutkitaan edelleen.

Kulta ei tapa virusta

Jyväskylässäkin tehdyissä biologisissa kokeissa kullan ja hopean on havaittu sopivan monilta ominaisuuksiltaan hyvin mikroskooppikuvaukseen ja biomolekyylien proteiinien leimaukseen.

Hopeassa on se ongelma, että biologisessa ympäristössä hopeapartikkelien hajotessa ioneiksi ne tappavat bakteereita ja vaikuttavat soluihin.

Tätä ominaisuutta hyödynnetään nykyään eri sovelluksissa, kuten urheilusukissa, joiden materiaaliin on lisätty pieniä hopeaioneja. Ne syövät hikeä ja tappavat bakteereja.

– Kullalla ei ole vastaavaa biomyrkyllistä ominaisuutta, joka haittaisi sen käyttöä kuvantamisessa biologisissa ympäristöissä, Hannu Häkkinen kertoo.

Nanokokoluokassa kulta on hyvin aktiivinen kemiallisesti. Katalyyttinä se pystyy kiihdyttämään reaktioita jo huoneenlämmössä.

Akateeminen mielenkiinto liittyy siihen, miksi nanomittaluokassa kulta on aktiivinen, mutta grammakoossa se ei ole katalyyttisesti kiinnostava.

Kasvihuonekaasujen sidontaa kullan avulla

Hiilidioksidin sitomista kiihdyttävä vain noin yhden nanometrin kokoinen kultapartikkeli on pienimpiä tunnettuja. Siinä on vain kymmenkunta kulta-atomia partikkelin keskellä.

Tiedemaailman kuumia kysymyksiä on monella muullakin tutkimusalalla se, miten ilmakehästä saataisiin otettua talteen hiilidioksidia.

Keväällä julkaistussa artikkelissa (siirryt toiseen palveluun) kerrottiin nanokokoisen kultapartikkelin katalyyttisestä ominaisuudesta, millä ilman hiilidioksidia voidaan muuttaa teollisuuden kemikaaleiksi.

Tämä on yksi lupaavista akateemisista tuloksista, mutta missään kyseistä prosessia ei tehdä vielä edes koetehdasmittakaavassa.

– Menee 10–25 vuotta ennen kuin näitä saadaan laajempaan käyttöön, Häkkinen sanoo.

Kultaklustereita rakennetaan koko ajan

Lisää tietoa kultapartikkeleiden rakenteesta tulee koko ajan röntgentutkimuksista, joita Jyväskylän yliopiston yhteistyökumppanit maailmalla tekevät.

Yksi yhteistyökumpaneista on kiinalainen Xiamen yliopisto, jossa tehdään tutkimuksia hopea- ja kultapartikkeleilla. Näistä tutkimuksista saadaan selville atomirakenteita, jotka auttavat teoriatason mallinnustyötä. Se taas on akatemiaprofessori Hannu Häkkisen ryhmän osaamisalue Jyväskylässä.

Kultapartikkeleiden metalliydinten koko on kymmenestä muutamaan sataan atomiin eli 1–3 nanometriä. Tästä kokoluokasta tunnetaan noin sata erilaista rakennetta ja lisää tulee koko ajan. Kultapartikkelien pintarakenteessa voi olla hyvin monenlaisia molekyylejä, jotka säilyttävät partikkelin rakenteen.

Kyseessä on aktiivinen tutkimusalue ympäri maailmaa, koska kemiallisia menetelmiä partikkeleiden valmistamiseksi kehitetään jatkuvasti ja uusia rakenteita tehdään. Niitä kasvatetaan isoiksi kiteiksi, joissa on suuri määrä täsmälleen samanlaisia järjestäytyneitä kultapartikkeleita eli klustereita.

Uusista kiteistä saadaan parhaimmassa tapauksessa röntgensäteillä määriteltyä jokaisen atomin paikka, kun aine on kiinteässä olomuodossa.

– Ala on kansainvälisesti kiinnostava ja Jyväskylässä ryhmämme on ollut pitkälti yli kymmenen vuotta kehityksen eturintamassa mukana laskennallisessa osuudessa. Saamme paljon tietoa eri puolilta maailmaa, Hannu Häkkinen kertoo.

kultapartikkelit viruksen päällä
Mallinnuskuva simulaatiosta, jossa virus on leimattu 60:llä kultananoklusterilla. Viruksen koko on n. 30 nanometriä, yhden kultaklusterin kaksi nanometriä. Tällaisen leimauksen tarkoituksena on parantaa viruksen kuvattavuutta eletronimikroskoopilla.Jyväskylän yliopisto

Laskemalla selvitetään molekyylien lopullinen rakenne

Kun tiedetään, mitä metalleja ja molekyylejä partikkelissa on, niin niiden välisten tunnettujen sidosten perusteella pystytään laskemaan, miten eri palaset ovat järjestäytyneet.

Laskennallisuus lähtee siitä, että Jyväskylään saadaan jostakin päin maailmaa ennestään tuntemattoman partikkelin lähes tarkka atomirakenne.

– Tiedetään aika helposti raskaiden kulta-atomien paikka, mutta pinnan hiiltä sisältävien molekyylien kevyiden atomien paikannus on hankalampaa, Häkkinen arvioi.

Nanotutkimuskeskuksessa on kuitenkin menetelmiä, joilla nämäkin paikannetaan. Kun rakennemalli on selvillä, voidaan lähteä tutkimaan molekyylidynamiikkasimulaatioita eri lämpötiloissa ja liuoksissa. Niissä havainnoidaan molekyylien reaktioita toisten molekyylien tai esimerkiksi virusten kanssa.

Kultaklusterit muokkautuvat ympäristönsä mukaan

Kesällä väitellyt Emmi Pohjolainen tutki kultaklustereiden käyttäytymistä erilaisissa liuoksissa.

Hän havaitsi esimerkiksi sen, että jos kalsiumioneja tai natriumioneja on runsaasti, ne vaikuttavat paljon klusterien kasassa pysymiseen. Myös happamuusolosuhteet vaikuttavat selvästi rakenteiden stabiilisuuteen.

Pohjolaisen tutkimuksessa simuloitiin eri ympäristöjä, jolloin tiedettiin, mitkä tekijät kulloinkin vaikuttivat reaktioihin.

Emmi Pohjolainen, Maryam Sabooni, Nanotiedekeskus, Jyväskylän yliopisto
Nanorakenteiden selvittämiseen tarvittaviin tietokonesimulointeihin vaaditaan supertietokoneresursseja, mutta tulosten analysoiminen onnistuu myös kannettavalla tietokoneella, kertovat tutkijatohtori Emmi Pohjolainen (oik.)  ja tohtorikoulutettava Maryam Sabooni Nanotiedekeskuksesta. Jyväskylän yliopisto

Simulaatiot ovat tohtori Emmi Pohjolaisen mukaan hyviä, koska periaatteessa pystytään rakentamaan millainen ympäristö halutaan ja tarkkailemaan jokaisen atomin liikettä: mikä stabiloi rakennetta ja mikä taas saa sen hajoamaan.

– Tällaiseen ei kokeellisesti niin tarkasti päästä, Pohjolainen sanoo.

Virusten yhteydessä tutkimus keskittyi kuvantamiseen. Virussimulaatiossa oli ideana atomitasolla nähdä, miten kultapartikkelit kiinnittyvät virukseen ja kuinka lujasti.

Pohjolaisen tutkimusta voidaan mahdollisesti soveltaa lääkeaineiden kuljettamisessa suoraan soluun. Kultaklusterit pystyvät järjestäytymään itse kapseleiksi eli tietynlaisiksi kuoriksi.

– Olemme mallintaneet, miten kuljetusrakenne menee kokoon ja miten ne hajoavat, jos sitä pystyy kontrolloimaan. Se olisi ideaali tällaiseen lääkekuljetukseen, tutkija Emmi Pohjolainen arvioi.

Perustutkimuksesta pitkä matka sovelluksiin

Nanotiedekeskuksessa tehdään pääasiassa perustutkimusta. Siitä on vuosien matka kaiken kansan sovelluksiin.

– Kolmekymmentä vuotta perustutkimuksessa ei ole pitkä aika, professori Hannu Häkkinen sanoo, kun kysyy tutkimustulosten sovelluksista.

Molekyylibiologien kanssa Jyväskylän nanotiedekeskuksessa on tutkittu kultapartikkelin pintaan sidottua värisignaalia lähettävää molekyyliä. Solun sisään kultapartikkelin mukana kulkeva valoa lähettävä molekyyli voisi kertoa solunsisäisestä happamuustasosta.

Elävän solun sisään ei voi työntää neulaa tai ulkoista mittalaitetta, mutta tällainen tekniikka voisi toimia häiritsemättä solua. Molekyylibiologien perustutkimuksen kannalta näin voidaan saada merkittävää tietoa solun toiminnasta.

– Kun perustutkijat puhuvat sovelluksista, kyse on yleensä toiselle tieteenalalle hyödyllisistä avauksista, Häkkinen tähdentää.

Hän antaa esimerkin: Jos autojen katalysaattoreihin lisättäisiin nanokokoisa kultapartikkeleita, ne hapettaisivat häkämolekyylejä hiilidioksidiksi jo hyvin matalissa lämpötiloissa. Tämä osa katalyysiprosessista toimisi heti jo vaikka 30 asteen pakkasessa ennenkuin katalysaattori olisi lämmennyt normaaliin toimintalämpötilaan.

Häkä on myrkyllistä, mutta hiilidioksidi vain haitallista.

– Tässä tulee kuitenkin hinta vastaan eikä kukaan ole kehittänyt sellaista tekniikkaa, millä tällaista voisi tehdä. Ei niitä koskaan autoihin varmastikaan tule, Häkkinen sanoo.

Tulevaisuuden vetykennoihin ehkä opitaan kultapartikkelien avulla kehittämään tekniikoita, joita voidaan soveltaa halvempien katalyyttimateriaalien muokkaamiseen.

– Tällaisia hyötyjä perustutkimuksesta voi olla. Jos ennustaa, mitä tutkimuksesta voi tulla, niin menee yleensä pieleen, Hannu Häkkinen sanoo.

Häkkinen on arvioitu yhdeksi maailman merkittävämmäksi (siirryt toiseen palveluun) tutkijaksi alallaan.

Suomen suurimman kultahipun kopio 392, 9 g,
Kulta kiinteässä muodossa ei kiinnosta nanotieteen tutkijoita. Kuvassa suurin Suomesta löydetty kultahippu.Helena Halme, Geologian tutkimuskeskus

Nanotiedekeskuksen tutkimusalue on laaja

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa (siirryt toiseen palveluun) kemistit, fyysikot ja biologit selvittävät yhdessä kullan ominaisuuksia ja mahdollisia sovelluskohteita.

Nanotiedekeskuksen taustalla on kansainvälinen tieteellinen yhteisö ja sen tutkimusprojektit ovat laaja-alaisia. Ne ulottuvat nanorakenteiden prosessien perustutkimuksesta kaupallisten tuotteiden kehitykseen.

Kyseessä on Suomen ainoa nanotieteeseen keskittyvä monitieteinen tutkimusyksikkö, ja maailmanlaajuisestikin vastaavia yksiköitä on vain muutamia.

Laskennallinen tiede esitellään tässä nanotiedekeskuksen videossa. (siirryt toiseen palveluun)

Akatemiaprofessori Hannu Häkkisen ryhmä on erikoistunut juuri laskennalliseen tutkimukseen, jossa kultapartikkelien eli klusterien rakenne saadaan kuvattua tarkemmin kuin kokeellisissa tutkimuksissa.

Niissä voidaan rakentaa uusia klusterirakenteita, mutta vasta laskennallisesti niiden ominaisuudet pystytään määrittelemään tarkasti.

Makroskooppisessa koossa eli silmillä havaittavassa koossa kulta ei ole kemiallisesti kiinnostava. Osaksi myös siitä syystä, että se on arvostettu jalometalli, jonka pinta ei muutu, kuten kuparin tai hopean.

Juttu on osa "10 kertaa tieteestä" -sarjaa, jossa esitellään suomalaista tutkimusta.

Aiemmin sarjassa on julkaistu alla olevat jutut:

Osa Raamatusta on käännösvirheitä ja kulttuurisia tulkintoja – "Pyhän tekstin muuttuminen on välttämätöntä, koska sen täytyy olla relevanttia omalle ajalleen"

Suomalaiset olivat 1800-luvun halpatyövoimaa maailman merillä – laivasta karanneet häivyttivät taustansa

Haitarilla tai huuliharpulla tohtoriksi – kuvitteelliset kenttäretket menneeseen Karjalaan synnyttivät jopa trance-musiikkia

"Haukuttiin patalappuprofessoriksi" – käsityötiede on monelle outo

Geeneissämme piilottelee tuntemattomia esi-isiä – tutkijoiden mukaan niitä voi löytyä useita

Laaja korkeakouluverkosto vai muutama huippuyliopisto? Helsingin yliopiston rehtori haluaa valtiolta päätöksiä

Lähiluonnossamme voi elää valtava tuntematon eliömaailma – suomalaistutkimus tuo uutta tietoa kasvien tuntemattomista viruksista

Kun matematiikan perustutkimukselle yllättäen lahjoitetaan kolme miljoonaa euroa, on syytä kysyä miksi – mutta kaikkea ei voi laskemalla ennakoida

Kantasoluista syntyy eläviä kudoksia – suomalainen huippututkimus yhdistää biologiaa, teknologiaa ja lääketiedettä, jotta löydettäisiin uusia keinoja sairauksien hoitoon