Uudet alkemistit loihtivat superaineita

Keskiajan hämärissä laboratorioissa alkemistit yrittivät taikoa lyijyn kullaksi. Nykyään fyysikot saavat aikaan tavallisissa aineissa ihmetystä herättäviä ominaisuuksia tanssivien elektronien avulla. Uusien alkemistien mullistavat kokeet voivat esimerkiksi tehdä aurinkokennoista 1 000 kertaa ohuempia.

Keskiajan hämärissä laboratorioissa alkemistit yrittivät taikoa lyijyn kullaksi. Nykyään fyysikot saavat aikaan tavallisissa aineissa ihmetystä herättäviä ominaisuuksia tanssivien elektronien avulla. Uusien alkemistien mullistavat kokeet voivat esimerkiksi tehdä aurinkokennoista 1 000 kertaa ohuempia.

Eletään vuotta 1669. Saksalainen Hennig Brand keittää virtsaa, jota hän on kerännyt naapureiltaan, niin kauan, että siitä tulee paksua nestettä, josta erottuu punertavaa öljyä. Hän poistaa kokoon keitetystä virtsasta suolan ja lisää taas öljyn.

Brand lämmittää seosta, kunnes näkyviin tulee itsestään loistavaa kaasua ja tislausastiasta tippuu outoa nestettä.

Brand kerää kuuman nesteen astiaan, jossa on kylmää vettä, ja siitä säteilee vihertävää valoa. Hän uskoo ratkaisseensa tuhansia vuosia vanhan arvoituksen ja keksineensä viisasten kiveksi kutsutun aineen, jolla hän voi muuttaa minkä tahansa metallin kullaksi.

Hennig Brand oli alkemisti. Mystikoiden ja kemian uranuurtajien sekalainen seurakunta pyrki tislausastioissa porisevilla sekoituksilla selvittämään luonnon salat ja tekemään tavallisista aineista jalompia.

Alkemistien työ oli turhaa. He eivät tunteneet alkuaineita eivätkä taitaneet modernia kemiaa. Silti kemistit ovat käyttäneet osaa heidän menetelmistään kauan.

Saksalainen alkemisti Hennig Brand uskoi vuonna 1669 eristäneensä virtsasta viisasten kiven. Hänen käyttämänsä menetelmä – tislaus – on yhä käytössä kemian laboratorioissa.

© Joseph Wright Gallery

Nyt on vuorossa uusi alkemistisukupolvi: fyysikot.

Fysiikan työkalulaatikon välineillä muutetaan tänä päivänä sellaisia vähäarvoisilta kuulostavia aineita kuin rikkikiisua ja lyijyä muistuttavaa molybdeeniä niin, että ne saavat teknologisia supervoimia.

Nykyajan alkemistit ovat siten myös hylkäämässä modernin kemian perusperiaatteen, jonka mukaan jokaisella aineella on vakiintuneet, tietokirjasta löytyvät, ominaisuutensa. Pian mikään ei sido fyysikoiden käsiä ja he voivat luoda kaikkea suprajohtavista hiilikaapeleista kehon lämmöllä toimiviin akunlatureihin ja kvanttitietokoneisiin.

Fyysikot huijaavat aineita

Keskiajan alkemistien kokeet perustuivat Aristoteleen oppiin, jonka mukaan kaikki koostuu maasta, ilmasta, tulesta ja vedestä. Alkemistit uskoivat voivansa muuttaa aineita vaihtamalla näiden neljän elementin välisiä suhteita.

Ranskalainen tutkija Antoine Lavoisier sai vuonna 1772 alkemistien maailman romahtamaan.

Hän osoitti veden sisältävän vetyä ja happea. Neljän peruselementin oppi sai väistyä uuden alkuaineteorian tieltä.

Sen jälkeen kemistit taulukoivat alkuaineet jaksollisella järjestelmällä, ja se on tarjonnut näihiin päiviin asti puitteet heidän tieteelliselle toiminnalleen.

Fyysikot ovat kuitenkin muuttamassa pelisääntöjä. Yhdysvaltalaisessa Tulanen yliopistossa työskentelevä Denys Bondar taustoittaa asiaa.
”Alkemistit yrittivät vuosisatojen ajan turhaan muuttaa lyijyä kullaksi. Entäpä jos ei muutetakaan ainetta toiseksi, vaan jujutetaan lyijy toimimaan kultana?” hän kysyy odottamatta vastausta.

Fyysikot jujuttavat aineita manipuloimalla elektroneja ja pakottamalla ne siirtymään tahdissa. Siihen käytetään etenkin kolmea keinoa: sähkövirtaa, valoa ja twistronics-nimellä tunnettua aineen fyysisen muodon manipulointitapaa.

Chris Leighton Minnesotan yliopistosta kuuluu uusiin alkemisteihin. Hänen tutkimusryhmänsä on erikoistunut muuttamaan aineiden ominaisuuksia sähköllä.

Tutkijat nousivat otsikoihin viime vuoden lopulla, kun he tekivät kokeita pyriittimineraalilla, joka tunnetaan myös rikkikiisuna ja katinkultana, koska se muistuttaa erehdyttävästi kultaa mutta on siihen verrattuna arvotonta.

Entäpä jos ei muutetakaan ainetta toiseksi, vaan jujutetaan lyijy toimimaan kultana? Denys Bondar, fyysikko

Normaalisti kissankulta ei ole magneettista. Yhdysvaltalaisfyysikot kiinnittivät kissankultaan elektrodeja, upottivat sen metalliastiaan, jossa oli ioneiksi kutsuttuja positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita hiukkasia sisältävää nestettä, ja johtivat virtaa.

Virtapiirin negatiivisesti varautuneet elektronit kulkeutuivat pyriittiin ja kerääntyivät pinnan tuntumaan, kun taas nesteen positiivisesti varautuneet ionit ikään kuin vastareaktiona kasaantuivat sen päälle.

Varaukseltaan erilaiset järjestyneet kerrokset tuottivat itsestään kissankullalle magneettisia ominaisuuksia.

Koskaan aiemmin fyysikot eivät olleet tällä tavalla ”magnetoineet” ainetta, joka ei ole magneettista. Chris Leighton ja hänen tutkijatoverinsa ovat yrittäneet kiivaasti laajentaa kokeen tuloksia.

Tieteen Kuvalehden haastattelussa Leighton kertoi ryhmän pitävän etenkin kissankultaa aineena, jonka avulla voidaan valmistaa äärimmäisen ohuita aurinkokennoja, sillä sen valonotto on tuhatkertainen verrattuna piihin, jota nykyisissä aurinkokennoissa yleensä käytetään.

Kissankultana tunnettu pyriitti ei ole magneettinen mineraali. Sitä on kuitenkin ”magnetoitu” heikolla sähkövirralla. Tutkijat uskovat, että menetelmää voidaan hyödyntää uusissa aurinkokennoissa, jotka imevät itseensä enemmän auringonvaloa ja ovat ohuempia kuin nykyiset.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Kissankulta liitetään virtapiiriin

Pyriittikide varustetaan elektrodeilla ja upotetaan metalliastiaan, jossa on ioneja sisältävää nestettä – eräänlaista positiivisesti ja negatiivisesti varautuneista molekyyleistä koostuvaa juoksevaa suolaa.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Virta saa ionit kerääntymään

Kun astian ja pyriittikiteen väliin johdetaan sähköä, nesteen positiivisesti varautuneet ionit kertyvät pyriitin ympärille. Ikään kuin vastareaktiona negatiivisesti varautuneet elektronit kerääntyvät pyriitissä pinnan tuntumaan.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Pinta muuttuu magneettiseksi

Sähkövaraukseltaan erilaiset kerrokset tekevät pyriitistä magneettista. Pyriitin magneettisuutta voidaan heikentää tai voimistaa säätämällä sähkövirran voimakkuutta.

Tähän asti käyttöä on rajoittanut se, että kissankulta ei muuta riittävän tehokkaasti siihen imeytyvää auringonvaloa sähköksi.

Minnesotassa tehty läpimurto enteilee muutosta asiaan. Koska nyt tiedetään, että niitä kissankullan pinnan sähkövarauksia, jotka magnetoivat mineraalin, voidaan manipuloida sähköllä, on raivattu tie kissankullan sähkönjohtavuuden hienosäädölle ja sen käytölle aurinkokennoissa piin sijasta.

Laservalo muuttaa aineita

Moderni alkemia on kovaa vauhtia kasvava tieteenala. Yksi lupaavimmista uusista haaroista on syntynyt valon ympärille. Se tutkii valon ilmeisen maagista kykyä muuttaa aineita.

Fyysikot ovat tienneet jo kauan, että valo vaikuttaa atomeihin ja molekyyleihin muun muassa rikkomalla kemiallisia sidoksia.

Aine saadaan käyttäytymään toisen aineen tavalla vaikuttamalla siihen laserilla. Mark Rudner, fyysikko

Nyttemmin on havaittu, että kestoltaan ja aaltomuodoltaan sopivat laserpulssit voivat muuttaa perusominaisuuksia, kuten aineen sähkönjohtavuutta. Avain on elektronit.

Atomi sisältää ytimen, jota kiertää tietty määrä elektroneja, ja elektronit sanelevat monet kiinteiden aineiden ominaisuuksista. Esimerkiksi metallissa atomit järjestyvät kidehilaksi, jossa jokainen atomi luovuttaa uloimmista elektroneistaan yhden tai kaksi kiteelle kokonaisuutena.

Nämä elektronit voivat liikkua vapaasti hilassa, minkä vuoksi esimerkiksi metallit johtavat hyvin sähköä, kiiltävät ja ovat läpinäkymättömiä.

Kun pystytään hallitsemaan elektroneja, voidaan myös hallita aineen ominaisuuksia.

Ja juuri tässä ultralyhyet laserpulssit tulevat mukaan kuvaan. Ne nimittäin saavat elektronit liikkumaan koordinoidusti niin, että ne ”tanssivat tahdissa”.

Laservalon kykyä koordinoida elektronien liikettä käytetään hyväksi erityisesti etsittäessä niin sanottuja suprajohtavia aineita.

Kilometrin pituinen suprajohtava AmpaCity-kaapeli otettiin käyttöön vuonna 2014 Essenissä Saksassa. Kaapeli pidetään jatkuvasti noin –200-asteisena nestetypellä.

© Innogy

Suprajohteessa sähkö kulkee ilman vastusta, joten ei synny energiahäviötä eikä lämpöä. Muun muassa kaapeleille ja johdoille ominainen vastus aiheuttaa nykyään yhteiskunnalle valtavan energiahävikin, kun esimerkiksi merituulipuiston tuottama sähkö siirretään maihin ja jaetaan erilaisille kuluttajille kotitalouksista teollisuuslaitoksiin.

Helmikuussa italialaisen fysiikan professorin Andrea Cavallerin johtama eurooppalainen tutkimusryhmä esitti mullistavan tuloksen. Se sai fyysikot eri puolilla maailmaa höristämään korviaan, sillä se avaa aivan uusia näköaloja tulevaisuuden suprajohtaviin sähkölinjoihin. Lisäksi tutkimusmenetelmä merkitsee uuden aikakauden alkua.

Kaikki aineet pitää nykyään jäähdyttää suprajohtavuuden aikaansaamiseksi. Esimerkiksi kalium-hiilimateriaalista on aiemmin saatu suprajohtavaa –253 asteen lämpötilassa.

Sitä vastoin laserpulssien takoessa materiaalia sen elektronit alkoivat heilahdella koordinoidusti paljon korkeammassa lämpötilassa: –173 asteessa. Silloin sähkö saattoi edetä ilman energiahäviötä.

© M. Budden, MPSD

Laser tekee palloista suprajohtavia

Laservalolla on voitu muuttaa hiilimateriaalia suprajohteeksi, jossa sähkö kulkee häviöttömästi toisin kuin tavallisessa johdossa. Suprajohtavista kaapeleista olisi etua esimerkiksi siirrettäessä aurinko- ja tuulivoimaloiden tuottamaa sähköä nopeasti maanosasta toiseen.

Saavutus on herättänyt toiveita siitä, että laserpulssit ovat se muutosvoima, jolla päästään lähemmäksi haavemateriaalia – ainetta, joka on suprajohde huoneenlämmössä.

Tavoite on asetettu kuitenkin pitemmälle. Tai ehkä pitäisi sittenkin puhua pienemmästä päämäärästä: tarkoituksena on päästä manipuloimaan itse aineiden muotoa atomitasoa myöten.

Valoa voidaan ohjata käänteellä

Ehkä tunnetuille aineille voidaan taikoa uusia ominaisuuksia ilman sähköä tai laservaloa – yksinkertaisesti muokkaamalla niitä uudenlaisiksi.

Nykyään fyysikot voivat manipuloida itse atomeja ja molekyylien fyysistä muotoa.

Menetelmä juontaa juurensa vuodesta 2004, jolloin fyysikot Andre Geim ja Konstantin Novoselov tekivät Nobel-palkitun kokeen. Siinä eristettiin hiiliatomista atominohut hiutale – ensimmäinen kaksiulotteinen materiaali.

Grafeeniksi nimetyn aineen löytäminen johti täysin uuteen tutkimusalaan, joka on keskittynyt 2D-materiaaleihin.

Ja sittemmin 2D-tutkijat ovat havainneet, että käyttämällä atomin vahvuisia hiutaleita rakennuspalikoina on mahdollista luoda aineille uusia ominaisuuksia.

VIDEO: Fyysikot koostavat uusia materiaaleja atominohuista ”rakennuspalikoista”

2D-materiaaleja voidaan kääntää ja pinota kerroksiksi, jotka ovat hieman vinottain toistensa päällä. Kiertokulmat ovat niitä twistejä, joihin menetelmän nimitys twistronics perustuu. Erilaiset kulmat tuottavat eri ominaisuuksia, ja tätä keinoa kansainvälinen tutkimusryhmä käytti hyväksi vuonna 2020.

Valon välähdys leviää yleensä joka suuntaan siihen tapaan kuin järveen heitetyn kiven aiheuttama aalto leviää vedessä aina suurempina renkaina.

Valoa voidaan kuitenkin nyt ohjata. Kun kaksi atominohutta molybdeenitrioksidikerrosta kierrettiin päällekkäin, elektronit muodostivat aineeseen kapeita kanavia, joissa valoaallot kulkivat.

Normaalisti valo leviää joka suuntaan, mutta nyt on onnistuttu ohjaamaan sädettä asettamalla kaksi atominohutta molybdeenitrioksidikerrosta vinottain toistensa päälle. Tekniikkaa voidaan käyttää tietokoneissa, joissa valo korvaa sähkön ja jotka ovat sen ansiosta nopeita ja energiapihejä.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Atominohuet levyt pinotaan vinottain

Noin 100 nanometriä paksut molybdeenitrioksidihiutaleet pannaan päällekkäin. Ainetta käytetään nykyään mm. ruostumattoman teräksen valmistuksessa. Kun päällimmäistä kerrosta kierretään vähän, kokonaisuuden ominaisuudet muuttuvat.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Elektronit luovat kanavan

Kun kerroksia kierretään toisiinsa nähden, elektronit vaikuttavat toisiinsa niin, että kaksoisrakenteeseen syntyy eräänlainen kanava. Kanava voi ”vangita” valoa, jolla on tietty aallonpituus. Se muuttuu kerrosten välisen kulman mukaan.

© Lotte Fredslund & Shutterstock

Valo kulkee kanavassa

Mikroskooppinen antenni lähettää välähdyksen infrapunavaloa. Normaalisti valo leviää joka suuntaan, mutta elektronikanava estää valoa leviämistä ja ohjaa sitä ohuena säteenä.

Tavoitteena on, että perustutkimus johtaa uuteen valoon perustuvaan tekniikkaan, kuten niin sanottuihin optisiin tietokoneisiin, jotka tallentavat tietoa ja suorittavat laskutoimituksia sähkön sijasta valolla. Nykytietokoneissa syttyvät ja sammuvat transistorit toimivat ykkösenä ja nollana, joista tietokoneen digitaalinen ”kieli” koostuu.

Valo voi sytyttää ja sammuttaa sähköä nopeammin ja vieläpä luovuttamatta energiaa lämpönä. Nykyään tietokoneiden sähkövirrasta syntyy paljon lämpöä, joka vaatii laitteiden jäähdyttämistä. Valtavasta energiankulutuksesta seuraa muun muassa, että maailman palvelinkeskukset kuluttavat jopa 500 terawattituntia vuodessa. Se on kaksi prosenttia kokonaissähkönkulutuksesta.

Valotietokoneet voivat siis toimia nykyisiä tietokoneita nopeammin pienemmällä sähkönkulutuksella.

Fyysikoille eivät riitä atominohuet hiutaleet, joille on käyttöä optisissa tietokoneissa. Seuraava tavoite on leikata eri aineiden hiutaleita nanolangaksi kutsutuiksi ketjuiksi. Tutkijoiden mukaan niissä valoa voidaan ohjata paremmin kuin hiutaleissa.

Charles Marcus tanskalaisesta Kööpenhaminan yliopistosta luo uusia materiaaleja niin sanotuista nanolangoista, joita voidaan käyttää kvanttitietokoneessa.

© Niels Bohr Institutet

Uudet alkemistit liikkuvat tieteellisen ymmärtämisen rajamaastossa: heillä ei ole vielä kattavaa teoreettista kuvausta siitä, mitä täsmälleen tapahtuu silloin, kun sähkö, laservalo tai twistronics vaikuttavat aineen ominaisuuksiin.

Fyysikot tietävät, että elektronien tanssi on periaatteessa kuvattavissa kvanttimekaniikan avulla, mutta se on helpommin sanottu kuin tehty.

Tiede on aina ollut teorian ja kokeiden yhteispeliä. Uudet alkemistit toimivat kokeellisella puolella, mutta teoria yrittää pysyä kärryillä. Jokainen koe vie fyysikkoja vähän lähemmäksi sen ymmärtämistä, kuinka kvanttimekaaninen taso toimii.

Siten fyysikot ovat aloittamassa uutta kvanttialkemian aikakautta, jolloin periaatteessa mikä tahansa aine voidaan manipuloida käyttäytymään juuri halutulla tavalla – pelkästään kvanttimekaniikan asettamissa rajoissa.