Eilen julkistettiin fysiikan Nobel, tänään oli vuorossa kemianpalkinto: arvostetut palkinnot annettiin Led-valolle ja fluoresenssimikroskopialle.

Fysiikan Nobel-palkinto meni kolmelle japanilaiselle, Isamu Akasakille, Hiroshi Amanolle ja Shuji Nakamuralle. Virallisen tiedotteen mukaan palkinto myönnettiin "tehokkaiden sinisten ledien keksimisestä, mikä on tehnyt mahdolliseksi kirkkaat ja energiaa säästävät valkoisen valon lähteet".

Kemian palkinto puolestaan meni kahdelle amerikkalaiselle, Eric Betzigille ja William Moernerille, sekä saksalaiselle Stefan Hellille. Palkinto myönnettiin "huipputarkan fluoresenssimikroskopian kehittämisestä".

Japanilaistutkijoiden keksintö on käytännössä tuttu meille kaikille. Ledejä käytetään nykyisin niin kotien ja julkisten tilojen valaisimissa, mainostauluissa, taskulampuissa kuin erilaisissa merkkivaloissakin.

Akasaki, Amano ja Nakamura kehittivät sinisen ledin 1990-luvun alussa. Punaisia ja vihreitä ledejä oli ollut olemassa jo vuosikymmeniä, mutta vasta sinisen ledin kehittäminen teki mahdolliseksi energiatehokkaan teknologian soveltamisen valaistukseen. Kolmella erivärisellä ledillä saadaan nimittäin aikaan valkoista valoa.

Led-valaisimien teho on suuri ja virrankulutus pieni. Tekniikka kehittyy kaiken aikaa, mutta jo nyt tehokkaimmat led-lamput vastaavat wattia kohti antavalta valoteholtaan 16 tavallista hehkulamppua ja lähes 70 loisteputkea. Keksintö on merkittävä myös ympäristön ja luonnonvarojen kannalta. Noin neljännes maailman sähkönkulutuksesta menee valaistukseen, joten led-lamppujen energiansäästö on merkittävä tekijä.

Myös niiden valmistus säästää raaka-aineita. Siinä missä tavallinen hehkulamppu kestää noin tuhat tuntia ja loisteputki noin 10 000 tuntia, ledien kesto on parhaimmillaan jopa 100 000 tuntia. Vähäinen tehontarve mahdollistaa lisäksi valaistuksen kehittämisen seuduilla, joilla ei ole kunnollista tai lainkaan sähköverkkoa: led-lamppuihin voi tuottaa tarvittavan määrän sähköä yksinkertaisilla aurinkopaneeleilla.

Kemistit ovat ensimmäisen kerran onnistuneet mittaamaan yksittäisen molekyylin värähtelyn eli niin sanotun molekylaarisen hengityksen. Tutkimus paljastaa, miten yhden molekyylin värähtely poikkeaa molekyylijoukkojen käyttäytymisestä. Samalla kehitettiin uusi menetelmä yksittäismolekyylien tunnistamiseen.

Tutkimus tehtiin Kalifornian yliopistossa Irvinessä. Jyväskylän yliopiston tutkijatohtori Eero Hulkko työskentelee siellä vierailevana tutkijana projektiin osallistuneessa ryhmässä, jota johtaa professori Vartkess A. Apkarian. Toista mukana ollutta ryhmää johti professori Eric O. Potma. Tutkimustulokset on julkaistu Nature Photonics -lehden elokuun numeron kansikuva-artikkelina.

Tutkijat hyödynsivät yksittäismolekyylimittauksessaan erittäin lyhyitä näkyvän valon alueen laserpulsseja. Yksinkertaisen orgaanisen bipyridiinietyleeni- eli BPE-molekyylin värähtelyliikkeen seuraaminen oli mahdollista valopulssien sironnan avulla. Menetelmää kutsutaan aika-erotteiseksi koherentiksi anti-Stokes-Raman-sironnaksi (tr-CARS). Se on ultranopea epälineaarinen spektroskooppinen tekniikka.

Kultaiset nanoantennit apuna

Yksittäisen BPE-molekyylin värähtelyn havaitsemiseen käytettiin "plasmonisia nanoantenneja". Ne muodostuvat kahdesta noin 90 nanometrin kokoisesta kultananopartikkelista (nanometri on metrin miljardisosa). Nanoantennit vahvistavat yksittäisen molekyylin lähettämän säteilyn havaittavalle tasolle.

– Yksittäisen molekyylin havaitseminen valon sironnan avulla on erittäin vaikeaa. Siksi tarvitsemme hieman apua signaalin vahvistamiseen, tutkimukseen osallistunut tohtori Hulkko kertoo.

Nanopartikkelien vahvistusilmiö on hyvin tunnettu kirjallisuudessa. Ilmiötä hyödynnetään erilaisissa spektroskooppisissa tekniikoissa, kuten esimerkiksi pintavahvistetussa Raman-spektroskopiassa (SERS), jonka avulla yksittäisiä molekyylejä pystytään havaitsemaan rutiininomaisesti.

Yksittäisen molekyylin värähtelyliike on puhtaasti kvanttimekaanista. Jotta värähdysliike voitaisiin havaita käytetyllä menetelmällä, molekyylin täytyy olla vähintään kahdessa kvanttimekaanisessa värähdystilassa samanaikaisesti. Tätä kutsutaan kvanttimekaniikassa aaltopaketiksi, jossa värähdysten vaiheiden välillä vallitsee korrelaatio. Molekyylijoukoissa värähdysten välinen korrelaatio häviää yleensä suhteellisen nopeasti. Ilmiötä kutsutaan epävaiheistumiseksi.

Epävaiheistumisen puuttumista ei ole ennen todettu

Tutkijat onnistuivat laserpulssien avulla luomaan yksittäisen molekyylin värähdystiloista muodostuneen aaltopaketin ja seuraamaan sen kehitystä 10 pikosekunnin ajan (pikosekunti = 10 potenssiin -12 sekuntia). Värähdysaaltopaketin liike vastaa molekyylin todellista värähdysliikettä eli molekulaarista “hengitystä”.

Kokeet näyttivät, että yksittäisen molekyylin värähdykset eivät menettäneet vaihekorrelaatiotaan. Tutkijat onnistuivat simulaatioiden avulla selittämään havainnot ja osoittamaan, että niin kutsuttu puhdas epävaiheistuminen on molekyylijoukkojen ominaisuus. Epävaiheistumisen puuttuminen yksittäisissä molekyyleissä on hyvin perustavaa laatua oleva havainto, jota ei ole ennen tunnettu.

– Yksittäisen molekyylin hengityksen näkeminen tuo meidät askeleen lähemmäs sitä, että näemme todellisen kemian toiminnassa yksittäisten molekyylien tasolla, professori Apkarian ennustaa.

Koherentin ultranopean spektroskopian demonstrointi yksittäismolekyylitasolla eli kyky luoda, manipuloida ja mitata yhden molekyylin kvanttitiloja avaa uusia mahdollisuuksia kvanttilaskentaan ja kvantti-informaation siirtoon.

Molekyylien yksittäisluonne tarkoittaa sitä, että havainnoidaan yksittäisiä fotoneja. Tulokset mahdollistavat siksi aivan uusia tutkimusmahdollisuuksia ja sovelluksia yksittäismolekyylifotoniikassa, kuten esimerkiksi yksittäisten, halutussa vaiheessa olevien fotonien tuottamisen.

Uutinen perustuu Jyväskylän yliopiston tiedotteeseen.

Kynttilät luovat joulutunnelmaa, mutta mitä hämyisän valon lähteessä oikein tapahtuu? Kynttilänliekki sulattaa parafiinia, steariinia tai mehiläisvahaa – tai niiden yhdistelmää – ja kapillaari-ilmiön ansiosta sitä imeytyy kynttilän sydämeen, josta se höyrystyy. Kaasumaisessa muodossa se palaa, jolloin muodostuu vettä ja hiilidioksidia. Palamiseen tarvittava ilma (tarkkaan ottaen happi) puolestaan imeytyy liekin sivuilta sen alaosaan ylöspäin kohoavan kuuman ilman tilalle. Samalla "korvausilma" viilentää kynttilän yläpäätä, jolloin se ei sula kokonaan, vaan sulan osan ympärillä säilyy kiinteä reuna.  

Kuvaan on merkitty paitsi liekin eri osien lämpötilat celsiusasteissa myös vyöhykkeet, joilla tapahtuu hieman eri ilmiöitä. Ykkösvyöhykkeellä eli liekin sisimmällä alueella parafiinin, steariinin ja/tai mehiläisvahan molekyylit hajoavat. Kakkos- ja kolmosvyöhykkeellä tapahtuu suurin osa varsinaisesta palamisesta, mutta enin osa valosta tulee liekin keskellä olevalta nelosvyöhykkeeltä. Seikkaperäinen kolmiosainen selvitys (englanniksi) kynttilän kemiasta löytyy ChemistryViews-sivustolta (osa 1, osa 2, osa 3).

Kuva: ChemistryViews