Hiukkaskiihdytin avaa aineen salat

Kun hiukkasia törmäytetään toisiinsa riittävän kovalla vauhdilla, päästään tunkeutumaan entistä syvemmälle aineen olemukseen.

tiede
Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorio.
Heliumionimikroskooppi Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskuksen puhdastilassaIsto Janhunen / Yle

Säteilyvaara, kertoo teksti Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion ovessa. Ovi aukeaa vain kulkuluvalla, ja sen takaa löytyy useampi hiukkaskiihdytin.

Professori Timo Sajavaara ryhmineen tutkii materiaalifysiikkaa raskasionikiihdyttimellä.

– Pommitamme tutkittavia materiaaleja saadaksemme selville niiden alkuainekoostumuksen, hän sanoo.

Parasta aikaa ryhmä tutkii osaa piikiekosta. Kaikki elektroniikka on joskus ollut osa 300 millimetrin piikiekkoa.

– Meidän leipälajimme on mitata piin tai muun puolijohteen päälle kasvatettuja ohutkalvoja. Mittaamme niiden alkuainekoostumusta, tunnistamme alkuaineet ja niiden tarkat määrät, Sajavaara sanoo.

Alkuaineiden määrän mittaamisella voidaan tutkita muun muassa epäiltyjä taideväärennöksiä, alkuainemäärät kuin kertovat tarkasti teokseen käytetyt materiaalit.

Sajavaaran ryhmällä on muutakin kysyntää kuin tutkimus, ryhmä nimittäin myös rakentaa laitteita.

– Mittauslaitteet, datankeruu, analyysilaitteet, me rakennamme ne. Harva kiihdytinpohjaista materiaalitutkimusta tekevä on valmis rakentamaan laitteita, vaan he ostavat ne. Ja jos jotain ei ole saatavilla, sitten tyydytään siihen, sanoo Sajavaara.

Jyväskylässä rakennetaankin laitteita myös muihin laboratorioihin maailmalla.

Heliumionimikroskooppi näkee nanomittakaavassa

Heliumionimikroskooppi on nimestään huolimatta minikokoinen hiukkaskiihdytin. Sillä tutkitaan esimerkiksi hiilinanoputkia ja lämmönjohtavuutta.

Kuvassa näkyy poikkileikkaus nanoselluloosasta valmistetusta paperista. Paperin alkuperäinen pinta näkyy kuvan alapuoliskossa ja poikkileikkauspinta kuvan yläpuoliskossa. Kuva on otettu heliumionimikroskoopille 45 asteen kulmassa pintaan ja poikkileikkaukseen nähden. Kuva-ala on 20x20 mikrometriä eli alle puolet hiuksen paksuudesta.

Paperi on valmistettu VTT:llä Jyväskylässä ja poikkileikkaus on tehty Top Analytica Oy:ssä Turussa.

Kuvassa näkyvät "möhkäleet" ovat kaoliinikiteitä, joka on paperiin lisättävä mineraali. Näytteen pinnalla erottuvat suonimaiset kuidut ovat nanoselluloosaa. Tavallisessa paperissa kuidut ovat kymmenien mikrojen paksuisia eli suurempia kuin kuvan koko. Erityisesti pinnan ja poikkileikkauksen raja on mielenkiintoinen kun siinä pääsee "kurkistamaan" pinnan alle.
Kai Arstila / Jyväskylän yliopisto

– Laite soveltuu niin kovaan materiaalifysiikkaan kuin esimerkiksi bakteerien ja virusten kuvaamiseen, Sajavaara valottaa.

Pohjoismaissa heliumionimikroskooppeja on kaksi, toinen Tanskassa, toinen Jyväskylässä.

– Heliumionimikroskoopilla voidaan tarkastella paljon pienempiä kohteita kuin muilla kiihdyttimillämme. Jos ajatellaan, että tavallisella kiihdyttimellä voitaisiin mitata jalkapallokenttä, heliumionimikroskoopilla voidaan mitata yksittäinen ruohonkorsi, kertoo Sajavaara.

Laitteella pystytään myös muokkaamaan ja rakentamaan materiaaleja. Tulevaisuuden materiaalit saattavat olla testissä heliumionimikroskoopissa jo nyt. Laitteella on tutkittu muun muassa nanoselluloosaa, josta povataan tulevaisuuden materiaalia. Nanoselluloosaa voidaan käyttää esimerkiksi lääketeollisuudessa keinoverisuonten valmistamiseen ja elektroniikkateollisuudessa taipuvien LED-näyttöjen valmistukseen.

– Toivoisin, että meille voisi olla entistä huomattavasti tehokkaampia suodatinmateriaaleja näiden materiaalien kautta. Niiden avulla voitaisiin tehostaa veden ja ilman suodatusta, Sajavaara sanoo.

Alkuainetutkimusta ja avaruuden säteilyä

Järein Jyväskylän yliopiston kiihdyttimistä on 90-luvun alussa asennettu K-130. Sen periaatteellinen maksimienergia protoneille on 130 MeV (megaelektronivolttia), kun maailman tehokkaimmalla kiihdyttimellä, CERN:in LHC:llä, protonien energia on 7 000 000 MeV.

– Tällä tutkitaan ydinfysiikkaa, tuotetaan muun muassa uraania raskaampia superraskaita alkuaineita. Laite pystyy myös simuloimaan avaruuden hiukkassäteilyä, kertoo fysiikan professori Timo Sajavaara.

Jyväskylässä käykin eri puolilta maailmaa tutkimusryhmiä selvittämässä esimerkiksi elektroniikan komponenttien toimintaa hiukkassäteilyssä.

Uusin K-30 syklotroni, joka saatiin Jyväskylään osana Suomen ja Venäjän sopimaa Neuvostoliiton velkojen maksuohjelmaa. K-30:n ensimmäiset testit tehtiin vuonna 2010.

– Myös se on tällä hetkellä valjastettu ydinfyysikoille. He tutkivat kiihdyttimellä muun muassa alkuaineiden syntyä: miksi maailmankaikkeudessa on havaittu määrä alkuaineita, Sajavaara sanoo.