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

 

EUROFusion 17.12.2014 16:31

Tartu ülikooli füüsikud aitavad Päikese Maale tuua (11)

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

Riverside´i California ülikool 04.12.2014 17:32

Korduvkasutatav paber tõotab kokkuhoidu

Kuidas luua paberit, millele saaks printida erinevat teksti mitukümmend korda?

21.11.2014 09:36

Tartu ülikool täiustab Samsungiga LED-valgusteid

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

21.10.2014 12:00

Fotoonika aabits

Täna tähistatakse Eestis esimest korda rahvusvahelist fotoonikapäeva.

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.

27.06.2014 15:37

Nutiplaaster mõõdab emotsioone (1)

Kas kananahk tuleb ihule hirmust või hoopis hea muusika pärast?

18.06.2014 14:45

Esmalt heli, siis pilt. Nüüd edastab telefon ka lõhnu

Esimene lõhnasõnum liikus eile Pariisis New Yorki.

10.06.2014 18:16

Kiiruskaameratele lisanduvad alkoholiaure püüdvad laserid (5)

Poola teadlaste leiutis tabab teel sõitvatest autodest etanooliaurud.

22.05.2014 16:00

Kuidas tekitada üliveekindlaid pindu? (1)

Mikroskoopiline muster sunnib veetilgad pallina eemale hüppama.

30.04.2014 11:26

Nutitelefoni kiirendusandur reedab omaniku (1)

Mobiiltelefonid suudavad nuhkida, kuid ka nende järel luuramine muutub aina hõlpsamaks.

14.04.2014 13:44

Aasta 2032: maailma tõsiseim mure on joogivesi (2)

Maakeral on puudus puhtast joogiveest. Inimene kujundab keskkonda jõuliselt enda käe järgi ümber. Eesti põlevkivitööstusel seisab ees hääbumine.

27.03.2014 14:21

Kuidas takistada võltsijaid?

Nanohõbedast muster kinnitab toote ehtsust.

13.02.2014 16:24

Termotuumasünteesi uuringud jõudsid uue teetähiseni (3)

USA füüsikud said termotuumareaktsioonist rohkem energiat kui kulus vesiniku süütamiseks.

04.02.2014 16:53

Loodi kõige väiksem LED-lamp

Pisike valgusdiood koosneb ühest molekulist.

30.12.2013 18:11

Mida on võimalik teada saada mobiiltelefoniandmeid analüüsides?

Kõigil on taskus mobiiltelefon, mida kasutades jätame me endast pidevalt jälgi: iga kõne, SMS või internetiühendus jätab andmebaasi märgi.

12.12.2013 10:37

Taevakivist leitud üliväikesed teemandid näitavad nanotehnoloogias uusi võimalusi (1)

Poole sajandi eest Maale kukkunud meteoriit, mis on vanem kui Päikesesüsteem, sisaldab teadaolevalt kõige väiksemaid eriliste kiirgusomadustega teemante.

Tartu ülikool 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!

10.11.2014 09:50

Tartlased ehitasid uudse ekskavaatori (5)

Tartlased said valmis uudse väike-ekskavaatori prototüübi.

09.10.2014 16:47

Nobeli keemiaauhinna said kolm füüsikut (1)

Milleks kõlbab fluorestsentsmikroskoop?

16.09.2014 16:31

Tipptehnoloogilised töökad käed - robot õpib nõusid koristama

Laua koristamine on üks esimesi töid, millega väikelapsed vanemaid abistavad. Kas robotile saab õpetada kruuside ja taldrikute nõudepesumasinasse ladumist?

19.06.2014 15:52

Robot sõidab hääletades läbi Kanada

Üksi rändav masin paneb inimeste usaldusväärsuse proovile.

16.06.2014 17:28

Nanosüsinikust kiip asendab ajukuvamise

Süsiniku nanotorukesed püüavad terahertskiirgust isegi toatemperatuuril.

06.06.2014 15:27

Kus käivad Tallinna venelased? (5)

Nende peamine uudistekanal on Pervõi Baltiskii, nende eelistus europarlamenti oli Yana Toom. Kui Moskvas lööb kell uut aastat, lennutavad nemad Tallinna taevasse esimese suurema ilutulestiku, kuigi Eestis tiksub aeg veel vana aasta numbri sees.

03.05.2014 09:10

Kas grafeen kahjustab keskkonda? (2)

Üliõhukesest süsinikust nanoosakesed püsivad veeringes.

28.04.2014 15:32

Pisimat ajakirja näeb ainult mikroskoobiga

Uudne tehnoloogia lubab terve ajakirja mahutada soolatera suurusele pinnale.

11.04.2014 14:42

Kas päike on aastaks 2032 maa peale toodud? (4)

Piiramatu arvutivõimsus ja termotuumaenergia kasutuselevõtt oleksid võrreldavad muutusega, mille tõi inimkonnale kaasa internet. Aga kas meil õnnestub lahti muukida universumi olemuse üks põhiküsimusi?

20.02.2014 18:53

Videomängija aitab haigustekitajaid avastada

Blu-ray kettad sobivad DNA-kiipide loomiseks.

10.02.2014 10:24

Grafeen juhib elektrit arvatust kümme korda paremini

Erilisel moel toodetud grafeen sobib elektroonikaseademetesse.

02.01.2014 18:57

Ohvri silmad reedavad kurjategija

Pantvangi silmade peegeldusest saab kätte kurikaela näopildi.

16.12.2013 21:05

Haiglaid ähvardab radioaktiivse isotoobi puudus

Radioaktiivsete isotoopide tootmiseks otsitakse uusi viise.

 
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