2015. aastast ilmuvad Novaatori uudised Eesti rahvusringhäälingu veebilehe teadusrubriigis ERR Novaator (novaator.err.ee).

Novaator - Nobeli keemiaauhinna said kolm füüsikut
09.10.2014 16:47

Nobeli keemiaauhinna said kolm füüsikut

Piret Pappel
Skype:
piret.pappel@ut.ee
Loe kommentaare (1)
Samal teemal (3)

Nobeli preemiate komitee tundub sel aastal eelistavat praktilisi uurimusi. Kui füüsikapreemia said siniste LED-lampide väljatöötajad, siis keemianobelistid Eric Betzig, Stefan Hell ja William E. Moerner on aidanud paremaks muuta fluorestsentsmikroskoope.

Keeruka nime taha peituvad mikroskoobid, milles kasutatakse rakkudes toimuva nähtavaks muutmiseks lasereid ja helendavaid molekule. Eriti oluline on see tehnoloogia bioloogidele, arstidele ja neuroteadlastele. 

Elektronide või röntgenkiirgusega saab küll kerge vaevaga terava pildi, kuid nende kasutamine on elusorganismidele surmav. Fluorestsentsmikroskoobiga saab jälgida elusates rakkudes toimuvaid protsesse - näiteks närvirakkude vaheliste ühenduste tekkimist või viljastatud munarakus sündivaid muutusi.

Uute ja järjest parema lahutusvõimega optiliste mikroskoopide ehitamine on võitlus valguse omadustega. Lahutusvõime tähendab vähimat kaugust kahe punkti vahel, millal need punktid on veel  nähtavad. 

Väga tillukestest esemetest takistab selge kujutise saamist difraktsioon – nähtus, kus valgus ei levi sirgjooneliselt, vaid paindub tõkete taha. Värsked nobelistid ongi välja pakkunud väga nutikaid võimalusi sellest mööda hiilimiseks.

Novaatori palvel selgitab preemia saanud uurimistööde tähtsust Tartu ülikooli tahkisefüüsika teadur Kristjan Leiger.

Need uurijad töötasid välja meetodid, mis võimaldavad tavalise valgusmikroskoopia vahenditega näha nanomeeterskaalas toimuvaid protsesse. Nagu nimigi vihjab, on mikroskoobi parim saavutatav lahutusvõime üldjuhul fikseeritud sinna kuhugi mikromeetri suurusjärku. Selle põhjuseks on optiline difraktsioon, mis paneb selle piiri umbes vaatamiseks kasutatava nähtava valguse poole lainepikkuse piirkonda. Nähtava valguse puhul on see parimal juhul 200 nanomeetrit (0,2 mikromeetrit).

Näiteks fluorestsentsmikroskoopia korral tähendab see, et kõik üksikud sellest väiksemad kiirgurid tunduvad olevat sellise suurusega, samuti pole võimalik läbi mikroskoobi ergastada väiksemat ruumipiirkonda. Huvitav on, et näivale fundamentaalsusele vaatamata on leidunud mitmeid teadlasi, kes seda piiri on püüdnud ületada. Nobeli keemiapreemia läks jagamisele kolme sellise teerajaja vahel. 

Stefan Hell (Max Plancki instituut) on arendanud huvitavat tehnoloogiat, mida nimetatakse STED-iks (stimulated emission depletion - eesti keeles võiks seda nimetada stimuleeritud kiirguse kustutamiseks).

Siin saadetakse uuritavasse keskkonda kaks laserpulssi: lühemalainelisem ergastav pulss, mis tekitab kiirguse tavalises, difraktsiooniliselt laienenud alas, ja kohe selle järel pikema lainepikkusega pulss, mille ruumiline kuju meenutab rõngast – selle keskel on valguse intensiivsuse miinimum. See teine pulss kiirendab kiirguse kustumist igal pool mujal kui keskmiinimumi osas, mille mõõdud võivad olla põhimõtteliselt kuitahes väikesed.

Allesjäänud kiirgus registreeritakse läbi mikroskoobi (kus see muidugi jälle difraktsiooniliselt laieneb, aga kuna me nüüd teame, et see pärines väikesest piirkonnast, võime registreerida kiirguse summaarselt) ja nii keskkonda skaneerides saame punkt-punktilt kätte kogu kõrglahutusliku kujutise. Erinevate piirangute tõttu on meetodi tüüpiline lahutus enamasti siiski 50-90 nanomeetri suurusjärgus.

USA Stanfordi ülikooli teadlast William E. Moernerit peetakse eelkõige üksikmolekulide spektroskoopia pioneeriks. Selle tänapäevaks juba üsna levinud meetodi idee on lihtne: viia kiirgavate osakeste kontsentratsioon keskkonnas nii madalaks, et need hakkavad üksikutena silma paistma. 

Loomulikult eeldab see väga heade kiirgusomadustega osakesi ja tundlikku registreerimistehnikat. Üksikosakese kiirguses on sageli jälgitavad nähtused, mis lausaines üle väga paljude osakeste keskmistamisel välja ei tule: ajaline vilkumine, järsud spektraalsed hüpped. 

Seda võib võrrelda kogu inimkonnas toimuvate protsesside asemel üksikinimese tegevuse jälgimisega: suurt pilti ei pruugi saada, aga teatud asjaolud saavad selgemaks. Eelneva kontekstis on siin oluline ka see, et üksikut molekuli saab nanomeeteralal kasutada lokaalse sondina: kuna kiirguse parameetrid sõltuvad molekuli lähiümbrusest, siis saame jällegi infot mingist väga väikesest ruumiosast ja kui neid sonde panna paraja tihedusega, siis võime jällegi saada nanolahutusega pildi.

Sisuliselt sama metoodika võttis aluseks ka Eric Betzig (Howard Hughesi meditsiiniinstituut, USA), kes kasutas spetsiaalseid värvainemolekule, mida pärast ergastamisel toimuvat pleekumist (kustumist) on võimalik (teise lainepikkuse rakendamisel) taas aktiveerida. Vaadates korduvalt fluorestsentsipiltide aegridasid, neid järjest taastades ja uuesti pleegitades, on võimalik mingis ruumiosas asuvate molekulide difraktsiooniliselt laienenud laigud lõpuks identifitseerida ja näiteks lihtsalt asendada väiksemate punktidega.

Tasub märkida, et üksikmolekulide spektroskoopiaga tegeletakse ka Tartu ülikooli füüsika instituudis. Näiteks biofüüsika laboris uuritakse bakteriaalseid antennikomplekse. Need on looduslikud pigment-valk kompleksid ehk suured valgumolekulid, millega on seotud hulk pigmendimolekule (näiteks bakterite klorofüll).  Mõned bakteriliigid püüavad nendega valgust fotosünteesi jaoks.


13.10.2014 10:40
Väino Sammelselg vaino.sammelselg@ut.

Võib ka öelda, et 2014. a. keemia Nobeli auhinna said kolm füüsikalise ja analüütilise keemia spetsialisti.

Lisa kommentaar

 

Wikimedia Commons 29.12.2014 15:55

Kuidas tõlgendatakse vasturääkivaid uudiseid? (6)

Sotsioloogid uurivad Eesti venekeelse elanikkonna meediatarbimist pingelises poliitilises olukorras.

EUROFusion 17.12.2014 16:31

Tartu ülikooli füüsikud aitavad Päikese Maale tuua (10)

Füüsika instituut arendab tehnoloogiat, mis lubab jälgida tuumaasünteesireaktori seinte olukorda.

09.12.2014 13:33

Kuidas luua kiusamisvaba kooli? (5)

Uuringu järgi kannatab Eestis koolivägivalla all peaaegu iga viies õpilane. Väärtuskasvatuse konverentsil küsitakse, kuidas luua kiusamisvaba kooli?

05.12.2014 17:30

Kuidas mets komide maailmapilti kujundas? (2)

Eestlased on vana metsarahvas, nagu seda on ka paljud teised soome-ugrilased, sealhulgas komid. Komidest ja nende pühast metsast kirjutab Tartu ülikooli etnoloogia professor Art Leete.

29.11.2014 12:35

Maailmas on seeni arvatust oluliselt vähem (1)

Tartu teadlaste juhitud uuringus kummutatakse senised arvamused mullaseente liigirikkuse kohta maailmas.

27.11.2014 15:24

Tartu ülikool panustab Vietnami arstiharidusse

Sulev Kõks, kes nimetati äsja Vietnami Hue meditsiini- ja farmaatsiaülikooli külalisprofessoriks, räägib, kuidas nad meeskonnaga vietnamlastele katseklaasibeebide tegemist õpetasid.

21.11.2014 18:35

Hilise lumetuleku rekord jäi löömata

Pärnus sadas täna maha esimene lumi. Aegamisi kattub kogu Eesti valge vaibaga.

13.11.2014 11:30

TÜ haridusteadlased loovad uudseid õppematerjale

Tartu ülikooli haridusteadlased soovitavad gümnasistidele äsja valminud uudseid õppematerjale.

10.11.2014 09:50

Tartlased ehitasid uudse ekskavaatori (5)

Tartlased said valmis uudse väike-ekskavaatori prototüübi.

07.11.2014 09:57

Tartus alustatakse vareste loendamist (1)

Linn palus teadlastel üle lugeda linnas pesitsevad künnivaresed ja hakid.

21.10.2014 12:00

Fotoonika aabits

Täna tähistatakse Eestis esimest korda rahvusvahelist fotoonikapäeva.

09.10.2014 16:47

Nobeli keemiaauhinna said kolm füüsikut (1)

Milleks kõlbab fluorestsentsmikroskoop?

07.10.2014 22:51

Kuidas meid kirjeldada?

Tartu ülikooli teadlased eelistaksid senisest täpsemaid isiksusekirjeldusi.

29.09.2014 09:28

Propagandauurija kahtleb venekeelse kanali edus (1)

Tartu Ülikooli värske doktor ja propagandauurija ei usu, et Eesti oma vene kanal suudaks oma eesmärgi täita, ent ei soovita püssi ka põõsasse visata.

15.09.2014 17:00

Verijärve ümbrus on sama lage kui 700 aastat tagasi

Teadlased kummutavad laialt levinud arvamuse nagu Eesti poleks kunagi varem olnud nii metsavaene kui nüüd.

05.09.2014 12:02

Rauaaegne talu kerkib vabatahtlike töökate kätega

Viie nädala jooksul toimetas Rõuge muinasmaja juures terve hulk vabatahtlikke.

Novaator 17.12.2014 14:53

Miks tekib kohvipaksule roosa hallitus? (4)

Hallitanud leiva ja saia puhul ei piisa nähtava hallitusega osa äralõikamisest, kuna seeneniidistik võib olla levinud ka toote sisemusse.

08.12.2014 11:30

Eestlased soovivad naabriks eestlasi

Eestlased ja venelased on teineteise suhtes sallivamad kui varem, ent elavad üksteisest järjest rohkem eraldi.

04.12.2014 12:14

Tumeda elurikkuse uurijad: Eesti looniidud saaksid olla veelgi liigirikkamad

Taimede kehv levimisvõime piirab niitude liigirikkust.

28.11.2014 18:50

Robotexil saab tasku pista endast tehtud 3D-pildi

Kuidas näed välja sina kolmedimensioonilisel pildil? Otsi Robotexilt üles Tartu ülikooli haridusteadlased ja saa teada!

23.11.2014 17:47

Kolgas kuuleb kummalisi kummituslugusid (5)

Miks Kolga mõisa kolmanda korruse tuba läbi aegade lukus on hoitud ja miks peaksid mehed seal kandis punapäiste naistega ettevaatlikud olema?

21.11.2014 09:36

Tartu ülikool täiustab Samsungiga LED-valgusteid

Samsung ja Tartu ülikooli füüsikud ja materjaliteadlased loovad paremaid LED-valgusteid.

12.11.2014 10:33

Kas rumalus on diabeedi tagajärg või põhjus? (2)

Tartu ülikooli isiksusepsühholoog pakub uusi tõlgendusi diabeedi ja vaimsete võimete vaheliste seoste kohta.

08.11.2014 12:10

Mis oli muistsele egiptlasele kõige hirmsam karistus teispoolsuses? (1)

Võrdleva usuteaduse professor Tarmo Kulmar kirjutab inimestest, jumalatest ja surmast vaaraode Egiptuses võttes kokku Vana-Egiptuse usundi põhijooned.

31.10.2014 10:41

Mis ajab Hiina turistid Tallinna lennujaamas elevusse?

Hiinlasest keeleteadlane soovitab teha eesti keele “Võõrsõnade leksikonis” ligi sada täiendust ja parandust.

13.10.2014 11:21

Teadlased tuvastasid söömishäireid mõjutava valgu (3)

Võimalik, et varsti saab söömishäireid diagnoosida vereanalüüsi abil.

08.10.2014 16:33

Füüsika-Nobeli pälvisid sinise valgusdioodi loojad

Kolme jaapanlase leiutis on kasutusel valgustites, nutiseadmetes ja koduelektroonikas. Kommenteerib Tartu ülikooli füüsika instituudi direktor Jaak Kikas.

06.10.2014 14:03

Meditsiini-Nobel läks neuroteadlasteleLisatud professor Eero Vasara kommentaar

Preemia saanud uurijad avastasid imetajate ajus sisemise GPSi.

22.09.2014 13:21

Eesti rohevintide sabaotsad muutuvad tumedamaks

Loomaökoloogid avastasid, et rohevintide suremine on seotud sulgede musta värviga.

15.09.2014 13:44

Miks sigade Aafrika katk inimestele ohtlik ei ole? (2)

Inimene ja siga nakatuvad mõlemad gripiviirusega, sest neil on olemas kõik komponendid, mida gripiviirus paljunemiseks vajab.

 
Küsi teadlaselt
Teatavasti vee ruumala paisub nii soojenemisel (aurustumisel) kui ka jäätumisel. Oletame, et on üks anum, mis on vett täis ja on purunematu. Mis hakkab juhtuma siis, kui sundida sellel veel jäätuda?
Jaak Kikas, Tartu ülikooli füüsika instituudi direktor :

See on huvitav küsimus, millele täpse kvantitatiivse vastuse andmine polegi nii lihtne. Üldiselt aga võiks vastata nii: kui paisumisvõimalus puudub,

Loe edasi!
Esita küsimus Kõik
Tartu Ülikool
Idee
Veider teadus