Tutkijat katselevat ilmakehän molekyylitapahtumia kuin suurennuslasilla mutta lisää tutkimusta ja mittausdataa kaivataan yhä

Haastateltavana ovat professori Markku Kulmala ja professori Marja-Liisa Riekkola Helsingin yliopistosta

Ilmakehän kemia on tällä hetkellä melkoista tarkkuustiedettä. Vaikka ilman sisältämien molekyylien tekemisistä tiedetäänkin paljon, yhä lisää dataa ja pitkiä mittaussarjoja kaivataan, jotta ilmastonmuutosta ja ihmisen vaikutusta voidaan arvioida tarkemmin. Helsingin yliopiston Hyytiälän SMEAR II –mittausasemalla on tehty pitkään monitieteistä tutkimusta, jossa on selvitetty ilman fysikaalis-kemiallisia ilmiöitä, biogeenisiä yhdisteitä ja pienhiukkasia.   

Professori Markku Kulmalalla on erinomaisen hyvä näppituntuma ilmakehän kemiaan. Hän johtaa Helsingin yliopiston Ilmakehätieteiden keskusta INARia. Kuva Sisko Loikkanen

Juupajoen Hyytiälä lienee ilmaston vaikutusten osalta yksi eniten tutkittuja paikkoja maailmassa.

 

Juupajoella sijaitseva Hyytiälä on tarjonnut oivallisen ympäristön monitieteiselle tutkijajoukolle, joka on ratkonut metsien, maaperän ja kasvillisuuden vaikutusta ilmastoon. Hyytiälä lienee tässä suhteessa yksi eniten tutkittuja paikkoja maailmassa. Professori Markku Kulmala pystyy suoralta kädeltä kertomaan, kuinka molekyyleistä kehittyy siellä aerosolihiukkasia ja pilvipisaroiden tiivistymisytimiä.

”Hyytiälässä tähän ketjuun osallistuu rikkihappoa, ammoniakkia ja dimetyyliamiinia. Ensin niistä syntyy molekyyliryppäitä, ja kun mukaan tulee hapettuneita hiilivetyjä, ne kasvattavat hiukkaskoon niin suureksi että pystyvät toimimaan pilvipisaroiden tiivistymisytimenä”.

Kulmalan mukaan ilmastonmuutoksen kokonaisvaltaiseen hahmottamiseen kaivataan lisää dataa ja mittauksia globaalisti ja myös erilaisissa ympäristöissä kuten kaupungeissa. Lisäksi tarvitaan pitkiä tutkimus- ja mittaussarjoja satelliiteista, maanpinnalta käsin ja laboratorio-olosuhteissa.

Professori Markku Kulmala kertoo Hyytiälän tilanteesta ja tutkimuksen haasteista.

Ilman molekyylit tutkitaan kemian analytiikan menetelmin

Analyyttisen kemian professori Marja-Liisa Riekkola Helsingin yliopistosta tutkii ryhmineen orgaanisten ja biogeenisten haihtuvien yhdisteiden analysointia ilmanäytteistä. Kuva Linda Tammisto/Helsingin yliopisto
Professori Marja-Liisa Riekkola on yhteistyössä kahden sveitsiläisen yrityksen kanssa ja käyttää miniatyrisoituja, injektioneulaa muistuttavia SPME Arrow- ja ITEX- näytteenottimia, joiden sisältämään materiaaliin ilman yhdisteet adsorboituvat.

Adsorboiva materiaali voi olla hyvinkin selektiivinen niin että sen pintaan kiinnittyvät vain tietynlaiset yhdisteet. Yhdisteet analysoidaan kaasukromatografi-massaspektrometrillä.

Tutkimusryhmä käyttää myös näytteenottimilla varustettua kopteria, jota on lennätetty Hyytiälän ilmatilassa.

Professori Marja-Liisa Riekkola kertoo ilmanäytteiden sisältämien orgaanisten molekyylien analysoinnista.

Ilmanäyte voidaan hakea myös näytteenottimilla varustetulla kopterilla. Kuva Marja-Liisa Riekkola/Helsingin yliopisto
Jutun toimitus Sisko Loikkanen

Tuottelias tutkija Tapio Salmi palkittiin A.I. Virtanen –palkinnolla

Akatemiaprofessori Tapio Salmi Åbo Akademista tutkii katalyysin ihmeellistä ilmiömaailmaa – tavoitteena ovat uudet katalyytit biomassojen hyötykäyttöön     

Akatemiaprofessori Tapio Salmella on aihetta hymyyn. Hänet palkittiin A.I. Virtanen –palkinnolla ja vastikään myös Åbo Akademin kanslerin tunnustuspalkinnolla.

Kemiallisen reaktiotekniikan professori, akatemiaprofessori Tapio Salmi vastaanotti A.I. Virtanen -palkinnon tiistaina 10.12. Säätytalossa. Salmen tutkimusryhmässä Åbo Akademissa etsitään menetelmiä, jotka mahdollistavat biomassan hyödyntämisen prosessien raaka-aineena raakaöljyn sijasta. Keskeinen tutkimusaihe on puun sisältämän hemiselluloosan jalostaminen kemiallisiksi tuotteiksi.

Salmi on tuottelias tutkija, joka on syventänyt tietoa kemiallisten reaktioiden kinetiikasta ja katalyysistä ja ollut mukana laatimassa jopa noin 560 tieteellistä artikkelia.

Podcast 1: Tapio Salmi kommentoi A.I. Virtanen -palkintoaan.

Uusia katalyyttejä kaivataan, kun raakaöljystä vähitellen luovutaan

Tapio Salmi on valtavan innostunut setvimään kemiallisten reaktioiden yksityiskohtia, ja kun hän tällä hetkellä työskentelee jo toista kautta Suomen Akatemian nimeämänä akatemiaprofessorina, hän voi keskittyä täysipainoisesti tutkimukseen ja väitöstutkijoidensa ohjaamiseen. Nykyinen akatemiatoimi jatkuu vuoden 2023 loppuun. Tähän mennessä Salmi on ohjannut jo 62 väitöskirjaa.

Salmen professuurin ala kemiallinen reaktiotekniikka käsittää laajan kokonaisuuden kemian tekniikkaa, kemialliset reaktorit, kemiallisen kinetiikan ja katalyysin.

Viime vuosina Salmi on ratkonut kemiallisten reaktioiden mekanismeja ja nopeutta kiinteän katalyytin pinnalla.

”Akatemiaprofessuurini pääteemana on tutkia reaktioiden mekanismia molekyylitasolla. Päämääränä on hankkia sellaista tietoa, jota voidaan hyödyntää kun kehitetään uusia, parempia katalyyttejä ja optimoidaan reaktio-olosuhteita”, Salmi kertoo.

Uusia katalyyttejä kaivataan, kun raakaöljystä vähitellen luovutaan ja tuotteita aletaan yhä enemmän valmistaa uusiutuvista luonnonvaroista.

”Öljynjalostukseen kehitetyt katalyytit eivät kelpaa sellaisenaan, vaan niitä täytyy muuntaa sopiviksi uusiin prosesseihin ja kehittää myös aivan uusia katalyyttejä”.

Kemiallisen reaktion mekanismin selvittäminen on Salmen mukaan varsin haasteellista. Tutkijan on päästävä perille siitä, kuinka reaktio etenee askel askeleelta katalyytin pinnalla. Ennen lopputuotteen syntymistä reaktio ehtii käydä läpi monia välivaiheita. Ratkaisu etsitään tutkimalla reaktion kulkua ja katalyytin pinnan tapahtumia. Työhön tarvitaan herkkiä, tehokkaita tutkimuslaitteita ja mittausmenetelmiä. Myös kvanttikemiaa hyödynnetään malleineen.

Podcast 2: Tapio Salmi kertoo, kuinka hemiselluloosasta jalostetaan erilaisia tuotteita, kuinka reaktion mekanismia tutkitaan ja kuinka kultananohiukkasetkin kelpaavat katalyytiksi.

Mikroaallot ja ultraääni saavat aikaan reaktioita laboratoriolaitteissa

Uudenlaiset reaktorit tekevät tuloaan kemian tutkimukseen ja vähitellen myös teolliseen tuotantoon. Tapio Salmen tutkimusryhmässä on tutkittu reaktioita, joita on tuotettu mikroaaltojen ja ultraäänen avulla.

Kuuma aihe kemian prosessitekniikan tutkimuksessa on Salmen mukaan prosessien intensivointi, jolla tarkoitetaan prosessilaitteiden pienentämistä ja tehostamista.

Uudehkojen mikroreaktoreiden avulla laitekokoa voidaan pienentää huomattavasti. Niissä reaktiot tapahtuvat kymmenien mikrometrien kokoluokkaa olevissa kanavissa, joiden pinta on päällystetty ohuella katalyyttikerroksella. Mikroreaktoreiden yleistymistä on Salmen mukaan hidastanut kallis hinta, jonka uskotaan kuitenkin laskevan uusien valmistustekniikoiden ansiosta. Keski-Euroopassa mikroreaktoreita käytetään jo teollisuuslaitoksissa.

Podcast 3: Mikroaallot ja ultraäänikin tuottavat kemiallisen reaktion. Mikroreaktoreiden ansiosta laitekoko pienenee. Tapio Salmi kertoo näistä menetelmistä ja paljastaa uuden yllättävän tutkimuslöydön.

Podcast 4: Tapio Salmi kertoo laboratorion mikroaaltoreaktorista

Tapio Salmi esittelee takanaan olevaa laitteistoa

Kuvan mikroaaltoja hyödyntävän reaktorin mikroaaltolähde on hankittu Ranskasta. Laboratorion oma henkilökunta on suunnitellut ja koonnut laitteiston.

Tapio Salmi on kumppaneineen kirjoittanut kemian reaktoritekniikasta 648-sivuisen Chemical Reaction Engineering and Reactor Technology –kirjan.

Jutun toimitus ja kuvat Sisko Loikkanen

Vesi puhtaaksi pintakemian avulla – hankala kiteytyminen kuriin vedenpuhdistuksessa

Haastateltavana vanhempi tutkija Salla Puupponen Kemiran Espoon Suomenojan tutkimuskeskuksesta

Tekniikan tohtori Salla Puupponen on työskennellyt Kemiran tutkimuskeskuksessa parisen vuotta ja ollut tänä aikana mukana useissa tutkimusprojekteissa, joissa on tarvittu osaamista muun muassa pintailmiöiden ja kiteytymisen kemiassa.     

Salla Puupponen arvostaa työnsä vaihtelevuutta ja haastavuutta.

Tutkimusprojekteissa keskeisiä ovat muun muassa pintakemia, kiteytymisen kontrollointi ja nanomateriaalit

 

Kemiran Espoon Suomenojan tutkimuskeskukseen Salla Puupponen tuli vanhemmaksi tutkijaksi väiteltyään sitä ennen Aalto-yliopistossa. Juuri tällä hetkellä hänellä on työn alla projekteja pääosin öljy- ja kaivosteollisuuden sovelluksiin.

”Kyse on siitä, kuinka esimerkiksi öljyntuotantoa voidaan tehostaa ympäristöystävällisesti. Käynnissä on myös paperi- ja selluteollisuuden vedenkäsittelyprojekteja”, Puupponen kertoo.

Salla Puupposen tutkimusprojekteissa keskeisiä ovat muun muassa pintakemia, kiteytymisen kontrollointi ja nanomateriaalit, jotka ovat nanometrien kokoluokkaa olevia hiukkasia tai kolloideja.

”Niiden pinta-ala on suuri mutta tilavuus pieni”, Puupponen selventää.

Kun hienojakoisen aineen pinta-ala on suuri, haluttuun tehovaikutukseen päästään jo hyvin pienellä ainemäärällä. Likahiukkaset napataan vedestä hallitsemalla pikkuriikkisten hiukkasten pintailmiöitä.

”Likahiukkasten pintakemia vaikuttaa siihen millaisia vesikemikaaleja käytetään, ja kemikaalien pinta-alaa ja pintakemiaa voidaan muokata vedenkäsittelykemikaalien avulla”, Puupponen kertoo.

Sallan taustalla on kuvanveistäjä Matti Hauptin teos Atomipoika vuodelta 1972. Teos on Kemiran Espoon Suomenojan tutkimuskeskuksen aulassa.

Kiteytymisen teoriaa ei tunneta tarkasti

 

Puupposen lempiaiheisiin kuuluu kaikille kemisteille tuttu ilmiö, kiteytyminen, jonka parissa hän on myös työskennellyt. Yllättäen Puupponen paljastaa, ettei kiteytymisen teoriaa vieläkään ymmärretä kovin hyvin.

Kiteytymiselle on tyypillistä sattumanvaraisuus, ja usein kiteet alkavat muodostua vasta jonkin ympäristössä tapahtuvan muutoksen myötä. Esimerkiksi Puupponen ottaa tutun virvoitusjuomapullon, jonka sisältö alkaa kiteytyä siinä vaiheessa, kun pullo nostetaan lämpimään ja avataan, jolloin hiilidioksidi pääsee vapautumaan ulos.

Koska haitallisia saostumia syntyy useissa prosesseissa, Kemiran hankkeissa on usein kyse siitä, että kiteytyminen pyritään estämään. Prosessiteollisuudessa saattaa esimerkiksi lämmönsiirtimien pinnalle syntyä saostumia, jotka heikentävät lämmönsiirtoa.

DI-kemistiksi kouluttautunut Puupponen väitteli tohtoriksi Aalto-yliopistossa konetekniikan alalla. Väitöstyössä hän tutki faasimuutosmateriaalia erytritolia, jonka ominaisuuksia hän muunsi sopiviksi pitkäaikaiseen lämmönvarastointiin.

Kiteytymisen teoriaa ymmärretään vielä aika huonosti, Salla Puupponen paljastaa yllättäen.

Seuraavissa podcasteissa Salla Puupponen kertoo työstään pintakemian ja kiteytymisen parissa.

Salla Puupponen kertoo vedenpuhdistuksen pintakemiasta ja tarvittavista kemikaaleista, koagulanteista ja flokkulanteista.

Salla Puupponen kertoo kiteytymisilmiöstä ja sen aiheuttamista ongelmista.

Salla Puupponen kertoo väitöstyöstään, jossa hän tutki faasimuutosmateriaaleja lämmönsiirtosovellukseen. Tutkittava aine oli sokerialkoholi erytritoli.

Jutun toimitus ja kuvat Sisko Loikkanen

IUPAC juhlii tänä vuonna 100-vuotista historiaansa

IUPACin verkkosivulle on toteutettu nuorten kemistien jaksollinen järjestelmä, josta kemistilahjakkuudet löytyvät alkuaineen merkkiä klikkaamalla.

Puhtaan ja sovelletun kemian kansainvälinen unioni IUPAC juhlii tänä vuonna 100-vuotista historiaansa. IUPACin presidentti Qi-Feng Zhou vieraili Suomessa huhtikuussa.

The International Union of Pure and Applied Chemistry IUPAC perustettiin sata vuotta sitten kansainväliseksi yhteistyöelimeksi, jonka puitteissa eri maiden kemistit voivat kokoontua yhteen sopimaan kemian termeistä, nimeämisestä ja määritelmistä. IUPACiin kuuluu nyt jäsenenä viidenkymmenenkahdeksan maan kemian jäsenorganisaatiot.

IUPACin 100-vuotisjuhla näkyy sen toiminnassa erilaisina hankkeina, joita ovat kurssit ja muut koulutustilaisuudet, kilpailut ja helmikuussa pidetty naiskemistien globaali aamiaistilaisuus. Unionin verkkosivustolle on valmistunut myös Nuorten kemistien jaksollinen järjestelmä, jossa esitellään jäsenmaiden päteviä kemistinuoria tutkimusaiheineen.
Pariisissa pidetään juuri tällä hetkellä, 5.-12.7. IUPACin 47. maailman kongressi ja samassa yhteydessä IUPACin 50. yleiskokous. Kongressin teemana on “Frontiers in Chemistry: Let´s create our future! 100 years with IUPAC”.

IUPACin kehitystyö perustuu vapaaehtoisten kemian ammattilaisten ahkeroimiseen

IUPAC syntyi teollisuuden ja akateemisten kemistien yhteistyöelimeksi vuonna 1919. Kemistit tarvitsivat systematiikkaa yhdisteiden nimeämiseen, ja heidät piti näin saattaa yhteen neuvottelemaan yhteisistä nimeämis- ja määrittelyperusteista.

Vuosikymmenten kuluessa IUPACin tehtävät ovat laajentuneet ja monipuolistuneet. Nimeämis- ja terminologiatyön lisäksi unioni käsittelee myös atomipainojen suuruudet ja alkuaineiden nimeämiset. Lisäksi IUPAC organisoi konferensseja, projekteja ja koulutusta. Kemian tiedon popularisointikin kuuluu järjestön kiinnostuksen kohteisiin, samoin kemiaa koskevat eettiset, ympäristö- ja terveyskysymykset. IUPAC jakaa myös tunnustuksia ja palkintoja

Unionilla on ainoastaan viisi palkattua työntekijää Yhdysvalloissa, ja varsinaisen sisältötyön tekevät tuhannet kemian asiantuntijat eri maiden jäsenorganisaatioista oman varsinaisen päätyönsä ohessa. Unionilla on kahdeksan eri aloihin syventyvää divisioonaa ja useita komiteoita. Talous perustuu jäsenmaksuihin.

Vuotta 2019 juhlitaan kemian alalla myös YK:n nimeämänä Alkuaineiden jaksollisen järjestelmän vuotena. Juuri tänä vuonna tulee kuluneeksi 150 vuotta siitä, kun venäläinen Dmitri Mendelejev esitteli vuonna 1869 alkuainetaulukkonsa. Tällä hetkellä alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä on 118 alkuainetta.

IUPACIn presidentti Qi-Feng Zhou esitelmöi IUPACin toiminnasta huhtikuun 26. päivänä Suomalaisten Kemistien Seuran 100-vuotisjuhlaseminaarissa ja antoi samassa yhteydessä podcastina kuultavan haastattelun.

IUPACin presidentti professori Qi-Feng Zhou on työskennellyt aiemmin Pekingin yliopistossa.Tohtoriksi hän väitteli Yhdysvalloissa Massachusettsin yliopistossa. Hän on tutkinut nestekiteitä.

IUPACin presidentin Qi-Feng Zhoun haastattelu

Jutun toimitus ja valokuvat Sisko Loikkanen

Mekaaninen sidos teki mahdolliseksi molekyylikoneet

Fraser Stoddart kiertää maailmaa tieteen lähettiläänä.

”Kemia on nuori tieteenala jossa oli vielä tilaa uuden sidoksen löytymiselle”, toteaa kemian nobelisti Sir J. Fraser Stoddart.  

Stoddart oli tuomassa mekaanista sidosta kemistien työkalupakkiin. Löydön ansiosta molekyylejä voidaan kytkeä yhteen molekyylikoneiksi. Tyypillisiä ovat sukkulat, jotka seilaavat kahden molekyyliaseman väliä, molekyylikytkimet ja erilaiset hissit.

Kemian nobelisti kokee itsensä nykyisin tieteen lähettilääksi, joka kiertää maapalloa kertomassa tieteestä, luennoimassa ja antamassa haastatteluja toimittajille. Hän tapaa matkoillaan yhtä lailla valtioiden johtajia kuin tutkijoitakin. Stoddart on aktiivinen twitterissä.

Nobelisti ottaa selfietä Messukeskuksen edustalla.

Stoddart on syntyisin Skotlannista mutta tehnyt pitkän uran Yhdysvalloissa Northwestern-yliopistossa. Hänet palkittiin ranskalaisen Jean-Pierre Sauvagen ja hollantilaisen Ben Feringan kanssa kemian Nobelilla vuonna 2016.

Kolmikko kehitti menetelmiä, joiden avulla kemistit rakentavat orgaanisen kemian piirissä molekyylikoneita, kuten kytkimiä, sukkuloita ja hissejä. Molekyylikoneet teki mahdolliseksi aivan uusi sidostyyppi, mekaaninen sidos.

Stoddart vieraili luennoimassa maaliskuussa ChemBio-tapahtumassa Helsingin Messukeskuksessa.

Iltapäiväseminaarin alussa hän jakeli kainalossaan olevasta pahvilaatikosta purkkeja valitsemilleen eturivin henkilöille.

Stoddartin pahvilaatikko oli täynnä kuvan voidepurkkeja.

Purkin kyljestä selvisi, että kyse on silmänympärysvoiteesta. Syvempi tieto löytyi googlettamalla. Yhdysvalloissa Pasadenassa toimii nanotekniikkayritys PanaceaNano, jota Fraser Stoddart on ollut perustamassa vuonna 2015. Yritys etsii sovelluksia yliopistotutkimuksesta putkahtaneille nanoinnovaatioille, mukaan lukien Stoddartin nanomateriaali- ja molekyylikonekeksinnöt.
Kosmetiikkatehdas hyödyntää keksintöjä voiteissaan.

Jutun toimitus ja valokuvat Sisko Loikkanen

Nobelisti Ada Yonath kehittää uutta antibioottia ja tutkii kemiaa, joka synnytti elämän

Ada Yonath teki mahdottomasta mahdollisen ja selvitti, miltä ribosomit näyttävät. Vuonna 2009 hänet palkittiin kemian Nobelilla.

Ada Yonath on maailman johtavia ribosomitutkijoita. Hänellä on ribosomien rakenteesta vankkaa tietoa, jota hän nyt hyödyntää kehittääkseen täsmätoimista antibioottilääkettä. Uusi lääke blokkaisi hallitusti bakteerin ribosomin toiminnan. Yonath haluaa myös selvittää, kuinka elämä sai alkunsa.

Ada Yonath on sinnikäs tutkija. Kun hän aikoinaan alkoi tutkia ribosomien rakennetta, juuri kukaan ei uskonut hankkeen onnistuvan. Hopeless work, kollegat sanoivat. Ribosomin rakennetta pidettiin aivan liian monimutkaisena selvitettäväksi.

Proteiinista ja rna:sta koostuva ribosomi on kuin pahasti sotkeutunut lankarulla. Proteiinin aminohappo- ja ribosomin rna -ketjut ovat kietoutuneet sekavaksi sykkyräksi. Miten siitä ottaisi selvän? Yonath ei antanut periksi vaan jatkoi sinnikkäästi tehden aluksi pieniä ja lopulta suuria edistysaskeleita.
Vuonna 2009 hänen ansionsa huomattiin kemian Nobel-palkinnolla, jonka hän jakoi kahden muun ribosomitutkijan Venkatraman Ramakrishnanin ja Thomas Steitzin kanssa.

Noista ajoista kuva ribosomista on yhä täydentynyt, ja tällä hetkellä Yonath voi käyttää kertynyttä tietoa hyväksi uuden antibiootin kehittämisessä. Hän etsii lääkettä, joka tarttuu täsmällisesti bakteerin ribosomin strategisiin kohtiin estäen sen toiminnan.

Yonathilla on Weizmann-instituutissa Rehovotissa Israelissa apunaan kymmenen tutkijan ryhmä ja hyvät tutkimuslaitteet.

Yonathia askarruttaa myös kemia, joka mahdollisti elämän. Hän on tehnyt jo alustavia kokeita ja tietää nyt, kuinka tutkimusta kannattaa jatkaa.
Tällä hetkellä hän olettaa pienten rna-molekyylirakenteiden katalysoineen muinoin peptidisidoksen syntymistä. Peptidisidokset sitovat aminohapot yhteen pitkiksi ketjuiksi, jotka sykeröityvät kolmiulotteisiksi proteiineiksi.

Seuraavassa podcastissa Ada Yonath kertoo tutkimuksistaan.

Ada Yonath oli vuonna 2009 neljäs kemian Nobelilla palkittu naistutkija.

Jutun toimitus Sisko Loikkanen, valokuvat Sisko Loikkanen ja Juho Leikas