ajankohtaistaNobelistin löytö toiTerävyyttä kirurgin veitseenVuoden 2011 Nobelin kemianpalkinto myönnettiin israelilaiselleDan Shechtmanille kvasikiteidenlöytämisestä. Havaintooli niin yllättävä, että tutkijaltavei kaksi vuotta vakuuttaakollegansa sen todenmukaisuudesta.Jari KoponenKemisti Dan Shechtman teki 8. huhtikuuta1982 kokeen, jonka diffraktiokuvioromutti kidetieteen parisataa vuottavoimassa olleen perusoletuksen: kiinteätepäorgaaniset aineet ovat joko kiteisiä taiamorfisia.Kiteessä tietyntyyppinen, atomeistatai molekyyleista muodostunut yksikkötoistuu säännöllisessä järjestyksessä läpikoko kolmiulotteisen rakenteen. Amor-70-vuotias Dan Shichtmantyöskentelee Israelin teknologiainstituutissa.Esimerkkejä kiinteän aineen rakenteista ja niitä vastaavista diffraktiokuvioista.Vasemmalla kuutiollinen kiderakenne ja keskellä amorfinen aine. Oikealla alumiini-nikkelikoboltti-kvasikide,jonka mallissa nikkeliatomit ovat mustia, kobolttiatomit punaisia jamuut värit edustavat alumiiniatomeja.Jari Koponen Israel Institute of Technology16 KEMIA 7/2011
fisella aineella, esimerkiksi lasilla, puolestaanei ole selvää rakenneyksikköä, jaatomien muodostamat lyhyen kantamanjärjestyksetkin kattavat vain kymmenkuntalähiatomia.Vastoin oppikirjatietoaShechtman oli kokeessaan jäähdyttänytäkillisesti alumiinin ja mangaanin sulaaseosta. Menettely tuottaa yleensä kiinteääamorfista ainetta. Kiteen kuvioissanähdään sekä pitkän kantaman järjestysettä säännöllinen jaksollisuus pisteinä.Amorfiselta aineelta puuttuvat molemmatominaisuudet, mikä diffraktiokuviossanäkyy leveinä renkaina.Nyt kuviossa erottui kuitenkin jotain,mitä ei oppikirjojen mukaan ollut olemassakaan:pitkän kantaman järjestysmutta ei säännöllisyyttä.Aluksi Shechtman ei itsekään tahtonutuskoa silmiään, mutta toistokokeiden tuloksetolivat vastaansanomattomat. Kiteidenja amorfisen aineen väliltä oli löytynytuusi rakennejärjestys: kvasikiteet.Seuraava vaihe kuuluu tieteen tragikomedioihin.Shechtmania ja hänen tulkintaansakokeiden tuloksista ei uskottu.Huippututkijalle annettiin luettavaksikidetieteen oppikirja ja häntä pyydettiineroamaan tutkimusryhmästään. Menikaksi vuotta ennen kuin Shechtman saituloksensa julki tieteellisessä lehdessä.Tosiasiat oli kuitenkin hyväksyttävä.Lopullinen sinetti tuli, kun Kansainvälinenkidetieteen unioni vuonna 1992muutti kiteen määritelmän. Nyt kide on”mikä tahansa kiinteä aine, jonka diffraktiokuviossanäkyy erillisiä pisteitä”.Uusi, käytännönläheinen määritelmä sisältäämyös kvasikiteet ja muut mahdollisestivielä löytyvät jaksottomat rakenteet.Satoja erilaisia kiteitäLaboratorioissa on syntetisoitu jo satojaerilaisia kvasikiteitä. Monet niistä ovatalumiinipohjaisia seoksia, joissa on mukanayksi tai kaksi muuta alkuainetta.Kvasikiteiden muodostuminen tapahtuuvain tietyillä pitoisuussuhteilla ja tietyissäsynteesiolosuhteissa. Niitä saatiinaluksi aikaan vain pieninä sulkeuminamuun kiinteän aineen joukkoon, muttanykyään syntyy jo makroskooppisen kokoisiapuhtaita kvasikiteitä.Metalliseosten lisäksi kvasikiderakenteitaon kyetty valmistamaan muistakinmateriaaleista. Esimerkkejä ovat tietytpolymeeri- ja nanopartikkelirakenteet.Myös luonnosta on paljastunut kvasikiteitä,kuten Venäjältä vuonna 2009löydetty alumiinia, kuparia ja rautaa sisältäväluonnonmineraali, joka nimettiinikosahedriitiksi.Parranajosta silmäkirurgiaanKiteillä atomien väliset etäisyydet ovatvakioita, mutta kvasikiteilla etäisyydetvaihtelevat. Kvasikiteet ovat siksi koviaja huonoja lämmön- ja sähkönjohtajia.Kvasikiteillä on myös matala pintaenergia,minkä vuoksi ne ovat korroosionkestäviäja niiden pinnoilla on matala kitkakerroin.Ominaisuuksia voidaan hyödyntääerilaisissa sovelluksissa.Kvasikiteet ovat jo löytäneet tiensä arkipäivänesineisiin. Ruotsalainen Sandvikon patentoinut teräksen, jonka sisältämienkvasikidesulkeumien avulla saadaanaikaan hyvin kova ja kestävä leikkaavareuna. Teräksestä valmistetaan muun muassapartakoneenteriä, kirurginveitsiä jahyvin ohuita neuloja silmäkirurgiaan.Kiteistä on myös tehty paistinpannuihinpinnoitteita, jotka kestävät hyvinkuumuutta ja joihin ruoka ei tartu.Tuotteet jouduttiin kuitenkin poistamaanmarkkinoilta, koska korkeat suolapitoisuudetsyövyttivät pinnoitetta. Supermateriaalistakinlöytyy heikkoja kohtia.Nykyään tutkitaan muitakin sovelluskohteita.Sekoittamalla kvasikiteitäerilaisten muovien kanssa saadaan aikaanhyvin kulutusta kestäviä muovikomposiitteja,joita voidaan hyödyntääesimerkiksi tekonivelissä. Kvasikiteidentoivotaan halvempana vaihtoehtonakorvaavan katalyyttina käytetyn kalliinpalladiumin.Kvasikiteet saattavat myös parantaaledien ominaisuuksia ja säästää valaistukseenkuluvaa energiaa. Energiasäästötovat tavoitteena myös tutkimuksissa,joissa selvitellään mahdollisuuksia käyttäähuonosti lämpöäjohtavia kvasikiteitätermosähköisissä materiaaleissa. Materiaalienavulla muunnetaan hukkalämpöäsähköksi.Käytännön sovelluksia on vasta vähän,koska kvasikiteiden maailmanlaajuinentutkijayhteisö on varsin pieni. Nobelinpalkinnon voi odottaa lisäävän kiinnostustaaiheeseen ja vauhdittavan materiaalinlaajempaa käyttöönottoa.Kirjoittaja on kemisti ja vapaa toimittaja.Kvasikiteiden salatselville laskemalla”Kvasikiteiden erikoisille ominaisuuksille löytyy runsaastisovelluskohteita”, sanoo tutkija Katariina Pussi.Anna-Liisa PirhonenLappeenrannan teknillisen yliopiston akatemiatutkija KatariinaPussi on tutkinut kvasikiteitä laskennallisin menetelminjo kymmenkunta vuotta. Häntä kiinnostaa kiteiden pinnanatomitason rakenne.”Nykyään on vielä epäselvää, mistä kiteiden ominaisuudetjohtuvat. Ovatko ne seurausta vierekkäisten atomien välisistävuorovaikutuksista vai aiheutuvatko ne kvasikiteille ominaisestapitkän kantaman järjestyksestä? Näihin kysymyksiinpystymme ehkä vastaamaan, kun tunnemme atomien paikattarkasti”, Pussi kuvaa työnsä päämäärää.Vaativa laskenta edellyttää muun muassa opetusministeriönhallinnoiman Suomen tehokkaimman supertietokoneen käyttöä.Laskuilla mallinnetaan elektronien vuorovaikutusta pinnanatomien kanssa. Atomeista siroavat elektronit tuottavataineelle ominaisen kokeellisen diffraktiokuvion.Kvasikiteiden uusien sovellusten suhteen Pussi on toiveikas.”Kvasikiteiden valmistamiseen tarvitaan hyvin kontrolloituprosessi. Sellaisen siirtäminen laboratoriosta teolliseen käyttöönon ollut pullonkaula, mutta kvasikiteisen teräksen valmistusosoittaa sen olevan mahdollista.”7/2011 KEMIA17
Change language