Tutkijat leijuttavat avaruusnäytteitä ääniaalloilla

Uusi menetelmä tekee mittauksista hallittuja, eikä se vahingoita näytteitä. Tutkijat rakensivat menetelmää varten uuden mittauslaitteen, joka on nimetty 4π-sirometriksi. Sirometri on laite, joka mittaa polarisoidun valon siroamista näytteen pinnasta.

Kehitystyö tehtiin Helsingin yliopiston planeettakunnan tutkimusryhmän professori Karri Muinosen johtamassa SAEMPL-projektissa (Scattering and absorption of electromagnetic waves in particulate media eli sähkömagneettisten aaltojen sironta ja absorptio partikkeliväliaineissa). 4π-sirometrillä validoitiin uusia laskennallisia menetelmiä, joilla mallitetaan esimerkiksi pölyn peittämien asteroidien ja muiden ilmakehättömien aurinkokuntamme kappaleiden heijastaman valon sirontaa.

Helsingin yliopiston professori Edward Hæggström tutkimusryhmineen oli avainasemassa 4π-sirometrin kehittämisessä.

– Ultraääneen liittyvä tutkimus on fysiikan osaston alaisuudessa toimivan elektroniikan laboratoriomme erikoisalaa. Siksi meiltä löytyi jo valmiiksi tarvittava osaaminen akustisen levitaation parissa työskentelyyn ja sen käyttämiseen hiukkasten paikan ja asennon hallintaan, kertoo Hagström.

– Hiukkasten hallittu leijuttaminen sallii meidän mitata valon sirontaa niin, ettei mittausympäristö vaikuta tuloksiin, toteaa Muinonen.

4π-sirometrin avulla tutkijat voivat liikutella tutkittavaa hiukkasta haluamaansa asentoon huomattavasti suuremmalla tarkkuudella kuin aikaisemmin oli mahdollista. Näin hiukkasesta saadaan tehtyä tarkka 3D-malli.

– Suuremmassa mittakaavassa toteutettuna tutkimuksemme tulokset mahdollistavat kohteiden kaukokartoituksen. Esimerkiksi avaruudessa olevista kohteista saamme harvoin otettua näytteitä. Voimme selvittää, minkä muotoisia nämä kappaleet ovat ja mistä ne koostuvat, tutkimalla tähtien valon sirontaa niiden pinnasta, kertoo vanhempi tutkija Maria Gritsevich Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksesta.

Aiemmat menetelmät yksittäisten hiukkasten tutkimiseen olivat epätarkkoja

Aiemmin yksittäisiä hiukkasia ei ole voitu mitata tarkasti. Yksittäisistä hiukkasista voidaan tehdä mittauksia kiinnittämällä hiukkanen pidikkeeseen, mutta silloin pidike itsessään vaikuttaa valon sirontaan. Jos hiukkasia on suuri määrä, voidaan niistä myös ottaa mittauksia ryhmänä asettamalla hiukkaset sopivalle pinnalle tai juoksuttamalla ne virtana hanan läpi. Näin ei kuitenkaan voida tehdä ainutlaatuisille ja harvinaisille näytteille.

– Vanhoilla tavoilla saatiin näytteistä hyviä keskimääräisiä tuloksia, mutta niillä ei saatu tuotettua yhtä tarkkaa tietoa yksittäisistä hiukkasista kuin sirometrillä saadaan, sanoo Gritsevich.

SAEMPL-projektissa tutkijat kehittivät menetelmän, jolla voidaan hallita leijutettavan näytteen asentoa ääniaaltoja säätämällä. Kappaleiden leijuttaminen ääniaalloilla ei itsessään ole uusi keksintö, vaan sirometrissä uraauurtavaa on juuri näytteen asennon hallinta. Sirometrin kehittänyt tutkijaryhmä oli ensimmäinen, joka yhdisti akustisen levitaation ja valon sironnan tutkimuksen ja sai aikaan vakaan laitteen.

– Akustisella levitaattorilla näytteen saa aina oikeaan asentoon. Jos asentoa haluaa muuttaa, tarvitsee vain säätää ääniaaltoja, sanoo Hæggström.

SAEMPL-projektia johti professori Karri Muinonen Helsingin yliopistolta ja Maanmittauslaitokselta. Paikkatietokeskus toimi projektissa kumppanina. Euroopan tutkimusneuvosto myönsi SAEMPL-projektille ERC Advanced Grant -rahoituksen.

Lisätietoja

Vanhempi tutkija Maria Gritsevich, Maanmittauslaitos, 050 301 6441, maria.gritsevich@maanmittauslaitos.fi

Professori Karri Muinonen, Helsingin yliopisto, 050 415 5474, karri.muinonen@helsinki.fi

Professori Edward Hæggström, Helsingin yliopisto, 029 415 0684, haeggstrom@helsinki.fi

Tieteellisiä artikkeleja aiheesta (englanniksi)

4π Scatterometer: A new technique for understanding the general and complete scattering properties of particulate media. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer

Omnidirectional microscopy by ultrasonic sample control. Applied Physics Letters

Scattering and Absorption of Light in Planetary Regoliths. Journal of Visualized Experiments