Älykkääksi ohjelmoitu

13.9.2016

Ihminen on kautta historian tehnyt keinotekoisesti erilaisia materiaaleja, ja ajan kuluessa niiden valmistuksessa on menty yhä pidemmälle, kertoo Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan professori ja ensi vuoden alusta akatemiaprofessorina aloittava Päivi Törmä.

Tällä hetkellä uusi, nouseva tutkimussuunta ovat ohjelmoitavat materiaalit.

"Nyt ollaan siinä pisteessä, että materiaalin ominaisuuksia pyritään kontrolloimaan mikroskooppisessa mittakaavassa entistäkin tarkemmin", Törmä selvittää.

Materiaalin ohjelmoimisella tarkoitetaan materiaalin ominaisuuksien muokkaamista räätälöidysti, haluttuun tarkoitukseen sopivaksi. Materiaalit voidaan esimerkiksi ohjelmoida reagoimaan johonkin ärsykkeeseen, havainnollistaa Harri Lipsanen, Aalto-yliopiston nanoteknologian professori.

Törmä ja Lipsanen johtivat tutkimushankkeita Suomen Akatemian juuri päättyneessä Ohjelmoitavat materiaalit (OMA) -tutkimusohjelmassa, jonka tavoitteena oli tuottaa kansainvälisesti merkittäviä uusia avauksia ohjelmoitavien materiaalien tutkimuksessa.

2D-materiaaleja pinoihin

Jotkin materiaalit taipuvat ohjelmointiin erityisen hyvin. Tällaisia ovat uudet, hyvin ohuet kaksiulotteiset materiaalit, joita Harri Lipsasen tutkimushankkeessa kehitettiin optiikan ja elektroniikan sovellutuksiin.

"Ohjelmoimme 2D-materiaalien ominaisuuksia pääasiassa siten, että pinosimme materiaaleja päällekkäin. Yksittäisen materiaalin ominaisuudet muuttuvat täysin, kun se on pakassa", Lipsanen kertoo.

Pinoamismenetelmällä materiaalista saadaan aiempaa älykkäämpää ja sen kyky reagoida ärsykkeisiin nopeutuu. Lipsasen mukaan ohjelmoitu 2D-materiaali havaitsee esimerkiksi valoa aiempaa herkemmin.

Tulevaisuudessa tällaista ominaisuutta voisi Lipsasen mukaan hyödyntää muun muassa optisessa tietoliikenteessä: internetin siirtonopeus riippuu siitä, kuinka herkästi ilmaisin huomaa valosignaalin. Uusista 2D-materiaaleista voisi tehdä nopeampia ilmaisimia kuin nykyisistä materiaaleista, jolloin tuloksena olisi nopeampi internet.

DNA uuteen muotoon

Päivi Törmän johtamassa tutkimuskonsortiossa materiaalien nanorakenteita koodattiin biomakromolekyylien, kuten DNA-pätkien, avulla. Myös ohjelmoitava materiaali oli luonnosta saatua DNA:ta.

"Muokkasimme DNA:ta niin sanotulla origamitekniikalla ", Törmä kertoo.

DNA:han lisättiin ylimääräisiä DNA-pätkiä, jotka Törmän mukaan "ompelivat rakenteen tietyllä tavalla yhteen" ja muuttivat DNA:n muotoa.

Lisäksi työssä osoitettiin, että ohjelmoidun DNA-rakenteen saa siirrettyä solun sisälle. Tutkimus tehtiin yhteistyössä professori Mauri Kostiaisen ryhmän kanssa.

"Teimme tietynlaisen DNA-rakenteen, jonka avulla voisi ehkä tulevaisuudessa kuljettaa lääkkeitä soluun. DNA-origamin rakenteessa on kuuden nanometrin välein pieniä DNA-ulokkeita, jotka voidaan ohjelmoida kiinnittämään halutut lääkeainemolekyylit rakenteen pinnalle. Koko rakenne voidaan sitten kuljettaa soluun."

Kaupallisia sovellutuksia tutkimus ei Törmän mukaan synnytä vielä vuosikausiin. Teoriassa menetelmällä voitaisiin mahdollisesti parantaa esimerkiksi syöpälääkkeitä: ohjelmoitu DNA voisi saada lääkkeen kulkeutumaan syöpäsoluihin ja väistämään terveet solut.

Edistysaskel diagnostiikalle?

Ohjelmoitavien materiaalien ehkä merkittävin sovelluskohde on Törmän ja Lipsasen mukaan diagnostiikka. Kun materiaali ohjelmoidaan reagoimaan ärsykkeeseen aiempaa tehokkaammin, voidaan saada aikaan huippuherkkiä sensoreita. Niitä voi hyödyntää paitsi perinteisessä elektroniikassa, myös lääketieteessä.

"Huippuherkkä sensori voisi havaita todella pieniä pitoisuuksia merkkiaineita ihmisen verestä, jolloin tauteja voitaisiin löytää jo hyvin varhaisessa vaiheessa", Lipsanen sanoo.

Törmän mukaan sekä lääketeollisuudessa että biolääketieteessä yritetään jatkuvasti kehittää uudenlaisia diagnostiikkamenetelmiä. Diagnostiikan halutaan tulevan lähemmäs kuluttajia, pois sairaalasta.

"Tarvitaan halpoja ja helppoja menetelmiä, jotka tunnistavat esimerkiksi, mitä aineita ihmisen veressä on. Ohjelmoitavien materiaalien avulla sellaisia voidaan ehkä tulevaisuudessa tehdä."

Teksti ja kuvat: Tea Kalska
Etusivun henkilökuva: Pekka Kiirala

Viimeksi muokattu 13.9.2016
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »