Kultapartikkelit nostivat Häkkisen nanotieteen huipulle
12.09.2008
Jokaisen tutkijan unelma on tehdä kansainvälinen läpimurto omalla alallaan. Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskuksessa työskentelevä professori Hannu Häkkinen voitti tutkijaryhmänsä kanssa kilpajuoksun ja selvitti ensimmäisenä maailmassa tiolaatti molekyyleillä päällystettyjen kultananopartikkeleiden stabiilisuuden laskennallisesti.
Kihelmöivän jännittävä kilpajuoksu lähti liikkeelle viime vuoden elokuussa, kun Häkkinen kuuli kollegaltaan, että Nobel-palkitun kemisti Roger Kornbergin tutkimusryhmä Standordissa oli onnistunut kokeellisesti määrittämään 102 kulta-atomin ja 44 orgaanisen tiolaatti-molekyylin muodostaman partikkelin atomirakenteen röngtendiffraktion avulla.
Päällysmolekyyleillä suojattujen kultapartikkeleiden laskennallisia ominaisuuksia kymmenen vuotta selvittänyt Häkkinen ei aikaillut. Hän laittoi pikaisesti sähköpostia professori Kornbergille ja pyysi saada hänen tutkimusryhmänsä tuloksia käyttöön ennen niiden julkaisua Science-lehdessä.
”Kornberg oli tutustunut tutkimusryhmämme aiemmin julkaisemiin kultapartikkelin rakenne-ennusteisiin ja hän oli vakuuttunut osaamisestamme. Hän antoi tuloksensa heti meidän käyttöömme”, Häkkinen kertoo.
Rakennetta on ratkaistu pitkään
Suomen Akatemian rahoituksen turvin Häkkinen on jo pitkään tutkinut 1-3 nanometrin kokoisten, päällysmolekyylillä suojattujen kulta-nanopartikkeleiden atomirakennetta, stabiilisuutta sekä kemiallisia ja optisia ominaisuuksia.
”Kemiallinen resepti, joka avulla kultananopartikkeleita syntetisoidaan, on ollut tiedossa 1990-luvun puolivälistä saakka. On tiedetty, että tietynkokoiset suojatut partikkelit ovat erittäin stabiileja. Partikkelien yksityiskohtainen atomirakenne säilyi kuitenkin salassa viime vuoteen saakka.”
Kun rakenne selvisi, se auttoi Häkkisen ryhmää analysoimaan partikkelin ominaisuuksia ja laatimaan teoreettisen mallin, joka selittää partikkelien stabiilisuuden. Tutkimuksen tulokset auttavat muita tutkijoita ymmärtämään ja hyödyntämään partikkelien ominaisuuksia.
Oikeaan aikaan oikeassa paikassa
Viime syksynä Jyväskylän tutkimusryhmä ajoi kultapartikkelien laskennallisia malleja kahdessa supertietokonekeskuksessa, Espoon CSC:ssä ja Saksan Juelichissä. Apua tuli myös ruotsalaiselta yhteistyökumppanilta Göteborgista. Puolitoista kuukautta kestäneiden laskentojen jälkeen Häkkisen ryhmä pystyi selittämään atomiryppään muodostumisen teoreettisesti sekä ennustamaan pienemmän, 25 kulta-atomia ja 18 tiolaatti –molekyyliä sisältävän partikkelin rakenteen. Se varmistettiin riippumattomassa kokeessa professori Royce Murrayn ryhmässä Yhdysvalloissa viime talvena.
”Oli onnellinen tilanne, että saimme tämä ongelman ”syliin” samalla kun meillä oli isot laskentaresurssit käytössä sekä asiantunteva tiimi ratkomassa ongelmaa”, Häkkinen sanoo.
Häkkinen lähetti tutkimustuloksensa julkaistavaksi arvostettuun Proceedings of the National Academy of Sciences –lehteen tammikuun lopulla. Artikkeli hyväksyttiin julkaistavaksi huhtikuussa.
”Julkaisuprosessi kesti tuskastuttavan kauan, sillä artikkelin painoon saaminen kesti vielä kolme kuukautta, heinäkuuhun saakka. Siihen asti jouduimme olemaan hiljaa saavutuksestamme”, Häkkinen muistelee.
Odotusta pahensi se, että Häkkinen tiesi muidenkin tutkimusryhmien työskentelevän saman ongelman parissa.
”Me ehdimme kuitenkin ensin. Kuukauden sisään meidän tutkimustulosten julkaisusta kaksi muuta ryhmää julkaisi tuloksia samasta aiheesta. Kilpajuoksu oli siis kova.”
Jyväskylä nousi tutkimuksen kärkeen
Läpimurto nosti hetkessä jyväskyläläisen kultapartikkelintutkimuksen maailmankartalle. Kansainvälisissä konferensseissa riittää puhuttavaa kollegoiden kanssa ja yhteistyötarjouksista ei ole pulaa.
Häkkinen järjestää alan symposiumin syyskuun 12.-13. päivä Jyväskylässä. Puhujaksi lupautui viisitoista ulkomaista huippututkijaa lyhyessä ajassa.
”Uskon, että osa ulkomaisista ryhmistä haluaa tulla Jyväskylään kuulemaan uusimmista tuloksistamme. Professori Kornbergin tutkimusryhmästä on tulossa neljä tutkijaa.”
Kultananopartikkeli-tutkimusta oli Häkkisen johdolla selvittämässä kolme tohtoritason tutkijaa. Tohtoritutkijoiden palkka maksettiin Akatemian rahoituksella. Häkkinen on tyytyväinen siihen, että Akatemian tuki on mahdollistanut pitkäjänteisen työn ja auttoi ratkaisevasti läpimurron syntymisessä.
”Olimme hyvin valmistautuneita läpimurron tekemiseen, sillä tutkimusryhmäni on työskennellyt alalla vuosia Akatemian rahoituksen turvin. Nanotiede on tällä hetkellä hyvin kilpailtu ala ja haluamme tietenkin pitää saavutetun etumatkan. Eteenpäin painetaan täysillä ja nyt odottelen Akatemian rahoituspäätöstä jatkotutkimukselle.”
Nanopartikkeleissa riittää tutkittavaa
Häkkinen ennustaa, että kultananopartikkelit säilyvät kuumana tutkimusaiheena vielä useiden vuosien ajan. Seuraavaksi mielenkiinto siirtyy siihen, miten partikkeleita voi muutella ja löytää bioyhteensopivuuksia.
Nyt saatuja tutkimustuloksia voidaan hyödyntää poikkitieteellisesti esimerkiksi biomolekyylien tutkimuksessa, nanopartikkelien lääketieteellisissä sovelluksissa ja nanoelektroniikassa. Kultapartikkelien avulla voidaan mahdollisesti tuhota syöpäsoluja. Partikkelit kiinnittyvät syöpäsoluihin bioyhteensopivan päällysmolekyylikerroksen vuoksi. Laserilla partikkeleja voidaan kuumentaa niin, että syöpäsolut kuolevat. Terveille soluille kuumentamisesta ei ole haittaa.
Nanoelektroniikka tutkii kultapartikkeleja mahdollisena sähköisten piirien komponentteina. Kultapartikkelit sopivat myös merkkiaineeksi kuvattaessa biomolekyylejä elektronimikroskoopilla.
Teksti:Liisa Tanninen
Kuva: Petteri Kivimäki
