Uusissa miljoonahankkeissa suunnitellaan magneettisia pinsettejä liikkuvien hiukkasten vuorovaikutuksen ja parveilun salojen selvittämiseksi

Lintuparvi on joukko aktiivisia partikkeleita. Linnut lentävät itsenäisesti, mutta niiden välisen vuorovaikutuksen summan ansiosta parvi liikkuu enemmän tai vähemmän yhteen suuntaan. Mikroskooppisen pienet ”parvet”, kuten bakteeripopulaatiot, käyttäytyvät hieman samalla tavalla.

Itsenäisesti liikkuvia hiukkasia mikrobeista aina eläimiin ja synteettisiin hiukkasiin asti kutsutaan fysiikassa agenteiksi tai aktiivisiksi partikkeleiksi. Professori Jaakko Timosen uusissa laajoissa tutkimushankkeissa tavoitellaan läpimurtoa mikroskooppisten, aktiivisten partikkelien hallitsemisessa magneettisilla pinseteillä. Tutkimuksessa tarkastellaan erityisesti eri tavoin liikkuvia hiukkasia: bakteereja, mikroleviä ja synteettisiä aktiivisia partikkeleita.

Tutkimuksen tavoite on kehittää uudenlaisia magneettisia pinsettejä, joilla voidaan esimerkiksi vaikuttaa nopeasti liikkuviin aktiivisiin partikkeleihin reaaliajassa ja samalla tutkia niiden keskinäisiä vuorovaikutusmekanismeja. Rahoitus hankkeisiin tulee sekä Suomen Akatemialta että Euroopan tutkimusneuvostolta (ERC). Suomen Akatemian rahoittama tutkimus alkoi syyskuussa, ja Timosen ERC Starting Grant -apurahan mahdollistama hanke käynnistyy vuoden 2019 alussa.

Tutkimuksen ensi vaiheessa selvitetään, mitkä ovat yhden aktiivisen partikkelin toiminnan raamit ja mahdollisuudet vaikuttaa partikkelijoukon kollektiiviseen toimintaan. Timosen tutkimusryhmä vie partikkelien sekaan kemiallisesti syntetisoituja magneettisia nanohiukkasia, joita voidaan hallita ulkoisella magneettikentällä. Magneettisiin voimiin perustuvaa mikromanipulaatiotekniikkaa kutsutaan magneettisiksi pinseteiksi.

”Tutkimuksessa käännetään yhtä aktiivisesti liikkuvaa agenttia hallitusti eri suuntaan kuin muita ja seurataan reaaliaikaisesti, miten kollektiivinen toiminta muuttuu. Jos ilmiötä vertaa lintuparveen, etsimme muusta parvesta poikkeavan yksittäisen linnun liikkeen suuntaa ja määrää, jotka juuri ja juuri saavat koko muodostelman kääntymään uuteen suuntaan”, Timonen selittää.

Aktiiviset partikkelit liikkuvat kuitenkin nopeasti ja arvaamattomasti, joten niiden manipulointi on vaikeaa. Magneettisilla pinseteillä ohjattuja ”älykkäitä” magneettisia hiukkasia voisi ohjelmoida esimerkiksi jaottelemaan erityyppisiä mikroskooppisia objekteja, kuten esimerkiksi erilaisia soluja mikrobiologisessa tutkimuksessa.

Seuraavassa vaiheessa aktiiviset partikkelit laitetaan magneettiseen nesteeseen. Nyt partikkeleita ei enää pyritä hallitsemaan yksitellen vaan kaikkia samaan aikaan – epäsuorasti magneettisen nesteen välityksellä. Neste toimii myös magneettisina pinsetteinä, ja niiden avulla voidaan luoda potentiaalienergiakuoppia, joihin vangitaan suuria määriä aktiivisia agentteja.

”Kun olemme tehneet vastaavaa tutkimusta passiivisilla kolloidipartikkeleilla, ne ovat päätyneet yksinkertaisiin muodostelmiin potentiaalienergiakuopan pohjalla. Uudessa tutkimusasetelmassa passiiviset partikkelit korvataan aktiivisilla. Potentiaalikuopan syvetessä partikkelien tiheys kasvaa ja liikkumavara vähenee, mutta toisaalta ne pyrkivät edelleen aktiivisesti liikkumaan. Haluamme tutkia syntyvää mielenkiintoista dynaamista kilpailutilannetta, jossa partikkelit yrittävät edelleen liikkua, vaikka tila käy vähiin”, sanoo Timonen.