Uraauurtavaa tutkimusta nanotieteen parissa

Akatemiaprofessori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta tutkii teoreettisin ja laskennallisin menetelmin metallinanopartikkelien pintarakenteiden ominaisuuksia. Tiedemaailman viittauksia seuraava Clarivate Analytics listasi viimevuonna Häkkisen yhdeksi maailman viitatuimmaksi oman alansa tutkijaksi.

Kansainvälisesti ja monialaisesti suuntautunut akatemiaprofessori Hannu Häkkinen työskentelee Jyväskylän yliopiston fysiikan ja kemian laitoksilla sekä Nanotiedekeskuksessa (NSC) yhteistyössä useiden kotimaisten ja ulkomaisten tutkimusryhmien kanssa. Hänen ryhmänsä on tutkinut jo yli kymmenen vuoden ajan orgaanisilla molekyyleillä suojattuja metallinanopartikkeleita, joiden atomintarkka rakenne tunnetaan. Metallinanopartikkelien pintarakenteiden tutkimus yksittäisten molekyylien tasolla on tärkeää, jotta voidaan ymmärtää rakenteiden kemiallisia ominaisuuksia, molekyylien välisiä vuorovaikutuksia ja partikkelien toiminnallisuutta ympäristönsä kanssa.

—Teemme atomirakenteisiin perustuvia simulointeja ja teoreettisia malleja. Niiden avulla pystymme paremmin ymmärtämään partikkelien mitattuja ominaisuuksia kuten sitä, miten ne imevät sähkömagneettista säteilyä eri aallonpituuksilla. Perustutkimuksen kannalta mielenkiintoista on myös selvittää, miksi juuri tietyn kokoiset ja tietyn atomirakenteen omaavat partikkelit ovat stabiileja ja miksi ne syntyvät synteesin aikana. Tutkimillamme nanopartikkeleilla voi olla sovelluksia esimerkiksi katalyytteinä ja bioyhteensopivina leimoina kuvantamisessa, Häkkinen selittää.

Tutkimuksissa selvitetään nanorakenteiden tarjoamia mahdollisuuksia esimerkiksi enteroviruksen leimoina. Menetelmän avulla saadaan uutta tietoa virusten kulkeutumisesta soluissa ja kudoksissa sekä niiden avautumismekanismeista solun sisällä. Tietoa tarvitaan uusien viruslääkkeiden ja rokotteiden kehittämistyössä. Virusten leimaaminen avaa myös uudenlaisen mahdollisuuden seurata luotettavasti viruksen kulkua kudoksiin. Tämä on tärkeää, jotta voidaan ymmärtää paremmin virusten aiheuttamia akuutteja ja kroonisia oireita.

Tutkijat saman katon alla

Jyväskylän yliopiston NSC:n kantavana ajatuksena on alusta alkaen ollut koota saman katon alle eri alojen tutkijoita, jotka kaikki, niin biologit, kemistit kuin fyysikotkin tutkivat luontoa nanoskaalassa. Aikoinaan uutta tutkimuskulttuuria edustanut ajattelu on osoittautunut hedelmälliseksi.

—Idea NSC:n perustamisesta lähti liikkeelle 1990-luvun lopulla muutamien fyysikkojen, kemistien ja biologien välisistä keskusteluista. Jyväskylän yliopiston johto suhtautui ajatukseen innostuneesti ja investoi tieteitten väliseen yhteiseen tutkimuslaboratorioon. Perinteisestihän eri alojen tutkijat pysyttelevät omilla tonteillaan. Kun vuorovaikutus on ollut vähäistä, myös tutkimustieto alojen välillä on siirtynyt hitaasti. Nyt tilanne on toinen: yhteisissä tiloissa keskinäinen yhteys syntyy kuin itsestään, Häkkinen on havainnut.

NSC:n tieteellinen yhteisö koostuu noin 29 tutkimusryhmästä ja 150 tutkijasta, monet heistä ovat kansainvälisesti tunnettuja. Tutkimusprojektit ovat laaja-alaisia alkaen nanorakenteiden prosessien perustutkimuksesta kaupallisten tuotteiden kehitykseen. Häkkisen oma työ on perustutkimusta.

Työtä supertietokoneilla

Hannu Häkkisen työpöydällä on havaittavissa pientä kaaosta ja on ilmeistä, että täällä ei olla siirrytty paperittomaan aikakauteen. Seinälle on asennettu tietokoneen suurikokoinen ulkoinen näyttö, josta voi katsella ja esitellä tarkemmin esimerkiksi sitä, miten noin 100 atomin kokoiset kultapartikkelit voivat muodostaa keskenään tasomaisia verkostoja tai onttoja kuorirakenteita vesiliuoksessa. Pääosa työstä tehdäänkin tietokoneitten ääressä.

—Tutkimusryhmäni käyttää huomattavia määriä supertietokoneitten laskenta-aikaa Jyväskylän yliopistossa, kansallisessa superkonekeskuksessa CSC:ssä sekä muutamassa muussa superkonekeskuksessa Euroopassa. Tutkimusinframme on siis hyvin hajautettua, mutta teemme osan käyttämiemme simulointiohjelmistojen kehitystyöstä omassa ryhmässämme. Oma työni käsittää vaihtelevassa määrin keskusteluja, ideointia, ja tutkimustulosten analysointia oman ryhmän tutkijoiden kanssa. Keskeistä on myös artikkelien kirjoittaminen, kirjallisuuteen tutustuminen, esitelmien valmistaminen ja yhteydenpito ulkomaisten kollegojen kanssa. Rahoituksen hakeminen ja rahoituksen raportointi vievät myös oman aikansa.

NSC:n monitieteisyydellä ja kansainvälisyydellä on suuri merkitys tutkimustyössä. Monitieteisyys on vaikuttanut tärkeällä tavalla Häkkisen omaan tutkimukseen: paikallisen tutkimusyhteisön tuomat uudet ideat ja yhteistyön mahdollisuudet ovat olleet antamassa suuntaa myös hänen omille tutkimusintresseilleen. Esimerkkinä tällaisesta on jo monia vuosia NSC:ssä toiminut usean ryhmän välinen tutkimuskonsortio, jossa kemistit valmistavat ja karakterisoivat kultananopartikkeleja, fyysikot mallintavat niiden atomirakenteisiin perustuvia ominaisuuksia ja biologit käyttävät partikkeleja virusten rakennetutkimuksessa.

Hannu Häkkisen tutkimusryhmä on alallaan erittäin tunnettu ja arvostettu. Tästä kertoo myös se, että tiedemaailman viittauksia seuraava Clarivate Analytics on listannut Häkkisen yhdeksi viitatuimmaksi oman alansa tutkijaksi maailmassa.

Yhteistyötä eri mantereilla

Parhaillaan Häkkisellä on useita aktiivisia yhteistyöryhmiä Japanissa, Kiinassa, Etelä-Koreassa, Kanadassa ja Yhdysvalloissa. Haastattelua tehtäessä hän on juuri matkustamassa Yhdysvaltoihin, jossa hän on aiemmin työskennellyt Atlantassa tutkijana kaikkiaan seitsemän vuoden ajan. Nyt ohjelmassa on vierailuja tuttujen kollegoiden yliopistoissa muun muassa Penn Statessa, University of Pittsburghissä ja University of Texasissa, joissa hän käy pitämässä esitelmiä ja keskustelemassa mahdollisista yhteistyöprojekteista. Häkkinen on lisäksi tehnyt jo pitkään yhteistyötä kemian Nobelin palkinnon saaneen Roger D. Kornbergin ryhmän kanssa Stanfordin yliopistossa.

—Olen laajentanut yhteistyötä myös Kiinaan, jossa olen toiminut vuoden 2017 alusta lähtien Xiamen yliopistossa vierailevana professorina. Minulla on siellä yhteistyöryhmä nanopartikkelien tutkimuksen alalla. Tutkimme yhdessä esimerkiksi hopea-nanopartikkelien optisia ja katalyyttisiä ominaisuuksia. Vierailen Xiamenissa yleensä 2-3 kertaa vuodessa aina viikon tai pari kerrallaan. Professuuri yliopistossa on vuoden 2021 loppuun. Sen ansiosta minulla on mielenkiintoinen mahdollisuus seurata alani tutkimuksen kehittymistä Xiamenin yliopistossa ja laajemminkin Kiinassa.

Kiinalainen tutkimuskulttuuri eroaa suomalaisesta yliopistomaailmasta etenkin siinä, että valtio panostaa merkittävällä tavalla tieteelliseen tutkimukseen. Esimerkiksi vierailuohjelma, jonka kautta Häkkisen työskentely Xiamenissa rahoitetaan, on valtion tukema. Kiinan valtio on jo kymmenen vuoden ajan rahoittanut myös Thousand talents –ohjelmaa, jonka avulla Kiinan yliopistot yrittävät houkutella nuoria lahjakkaita tutkijoita takaisin maahan ja perustamaan omia tutkimusryhmiä.

—Perinteisesti nuorten lahjakkaiden tutkijoiden aivovirta on suuntautunut Kiinasta esimerkiksi Yhdysvaltoihin, mutta tämä ohjelma pyrkii siis kääntämään virran suunnan. Kiinalaisissa nuorissa tutkijoissa on valtavasti potentiaalia ja tutkimukselle omistautumista arvostetaan. Joskus jään kuitenkin miettimään sitä, annetaanko riittävästi tilaa luovuudelle ja rohkealle uusien asioiden kokeilulle. Lisäksi useat tuntemani tutkimusryhmät toimivat 24/7 -periaatteella. Olen hämmästellyt, miten tutkijat jaksavat sellaista tahtia, kun vapaa-aika on niin vähissä, Häkkinen pohtii.

Teksti: Arja-Leena Paavola
Kuvat: Petteri Kivimäki

www.professoriliitto.fi