Jyväskylän yliopiston uusilla tutkimuslaitteilla kasvatetaan ohutkalvoja ja tutkitaan atomin kokoisia rakenteita

Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskukseen on hankittu uusia laitteita, jotka ovat apuna niin solu- ja molekyylibiologian, kemian, fysiikan kuin materiaalien tutkimisessa. Laitteilla on mahdollista kuvata korkealla resoluutiolla näytteitä, tutkia kiderakenteita, tehdä alkuaineanalyysejä ja kasvattaa ohutkalvoja. Laitteet ovat isoja investointeja ja ovat toteutettu osin Jyväskylän yliopiston apulaisprofessorin Kezilebieke Shawulienien Euroopan tutkimusneuvoston ERC Starting Grant -rahoituksella. Yhteensä laitteet maksoivat 900 000 euroa.  

- Uudet laitteet täydentävät matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan ja nanotiedekeskuksen laitekantaa ja mahdollistavat aivan uusien ilmiöiden tutkimisen. Myös uusia tutkimusyhteistyömahdollisuuksia avautuu, kun laitekanta on monipuolisempi, kertoo Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskuksen tieteellinen johtaja Lotta-Riina Sundberg. Uudet hankinnat vahvistavat tutkimuksemme asemaa kansainvälisessä kärjessä, ja lisää samalla tutkimuksen vaikuttavuutta. Nanotiede on yhteiskunnalle tärkeä tutkimuksen ala. Nanotason tutkimuksen avulla voimme ymmärtää ja muokata esimerkiksi molekyylien ja nanorakenteiden vuorovaikutuksia., mikä voi jatkossa johtaa uusiin löytöihin ja sovelluksiin, jatkaa Sundberg.  

Tunnelointimikroskopialla kuvataan materiaalien pintojen atomitason rakennetta 

Yksi uusimmista laitteista on tunnelointimikroskooppi (STM). Pyyhkäisevällä tunnelointimikroskopialla (STM) on ollut keskeinen rooli atomimittakaavan ilmiöiden ymmärtämisessä. Sitä käytetään esimerkiksi materiaalitieteissä, kemiassa, fysiikassa ja nanoteknologiassa, joissa atomimittakaavan rakenteiden tarkka valvonta ja visualisointi ovat välttämättömiä. Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer kehittivät STM:n 1980-luvulla, ja STM sai tästä uraauurtavasta saavutuksesta Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1986. 

- STM on erittäin tärkeä useilla tieteen ja teknologian aloilla. Ensinnäkin sen avulla tutkijat voivat havainnollistaa pintoja atomiskaalassa ja saada yksityiskohtaisia kuvia yksittäisistä atomeista ja niiden järjestäytymisestä pinnoilla. Toiseksi STM:llä voidaan muokata yksittäisiä atomeja ja molekyylejä, mikä mahdollistaa nanorakenteiden rakentamisen ja atomimittakaavan prosessien, kuten pintareaktioiden ja molekyylikokoonpanon tutkimisen. Mikä tärkeintä, STM:llä voidaan saada tietoa näytteen elektronitiheydestä elektronien energian ja tilan funktiona atomien tarkkuudella, sanoo Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen apulaisprofessori Kezilebieke Shawulienu. 

Sovellukset ulottuvat biofysiikkaan, biokemiaan ja biotekniikkaan 

Nanotieteiden keskukseen asennettu STM on erittäin ainutlaatuinen. Laite edustaa kahden hyväksi todetun tekniikan yhdistelmää. Laitteessa yhdistyvät optisen spektroskopian ja pyyhkäisymikroskopian vahvuudet. Sen monitieteisen luonteen ja tekniikan ansiosta tutkijat voivat tutkia hyvin monenlaisia ilmiöitä nanomittakaavassa, mikä tekee siitä tehokkaan työkalun tieteelliseen tutkimukseen ja teknologian kehittämiseen.  

- Laitetta voidaan soveltaa esimerkiksi biologisten järjestelmien, kuten proteiinien, DNA:n, solujen ja kudosten tutkimiseen antaen arvokasta tietoa biomolekyylien rakenteesta, dynamiikasta ja vuorovaikutuksista. Tekniikan avulla voimme tehdä yksittäisten molekyylien, erityisesti DNA:n ja pienten proteiinien, topografista ja tomografista karakterisointia ångström-mittakaavaan asti ulottuvalla paikkaresoluutiolla, täsmentää Shawulienu. 

Ohutkalvojen kasvattamista 

Nanotiedekeskukseen on hankittu myös laite, joka keskittyy ohuiden kalvojen valmistukseen. MBE (Molecular Beam Epitaxy) tekniikalla voidaan kasvattaa atomiskaalan rakenteita erittäin kontrolloidusti, halliten niiden elektronisia, optisia ja magneettisia ominaisuuksia.  

- MBE on tärkeä useista syistä. Kasvatamme ohutkalvojen koostumusta kerros kerrokselta ja samalla ohjaamme kerrosten ominaisuuksia. Tämä kyky on olennaisen tärkeä kehitettäessä uusia materiaaleja elektroniikan, fotoniikan ja kvanttilaskennan eri sovelluksiin, Shawulienu kertoo. 

Lisätietoa: 

• Kezilebieke Shawulienien ERC Starting Grant -rahoitus: https://www.jyu.fi/fi/news/mittava-eu-rahoitus-nanomateriaalien-tutkimiseen
• Nanotiedekeskus: www.jyu.fi/nsc