mikroskooppi

Ennätystarkka kuva vettä hylkivistä pinnoista

La, 12/02/2017 - 18:18 Toimitus
Mikroskoopin pisara-anturi perhosen (varjovelhosiipi, Troides aeacus) superhydrofobisella siivellä. Kuva: Matti Hokkanen / Aalto-yliopisto

Aalto-yliopiston tutkijoiden kehittämä mikroskopiatekniikka auttaa muun muassa itsepuhdistuvien pintojen kehittämisessä.

Kun vesi joutuu kosketuksiin superhydrofobisen eli erittäin vettähylkivän pinnan kanssa, se muodostaa pallomaisia pisaroita, jotka pyörivät helposti pois pinnalta.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet mullistavan Scanning Droplet Adhesion Microscopy (SDAM) -mittaustekniikan, jolla voidaan tutkia entistä tarkemmin superhydrofobisten materiaalien kastumisominaisuuksia eli sitä, miten neste leviää ja käyttäytyy tietyllä pinnalla. 

Uusi tekniikka on tuhat kertaa tarkempi kuin parhaat nykyiset kastumisominaisuuksien mittaamiseen käytetyt menetelmät. Nature Communications julkaisi juuri menetelmästä kertovan tutkimusartikkelin.

”Uuden mikroskooppimme ansiosta ymmärrämme paremmin, miten pinnan mikrorakenteet vaikuttavat kastumiseen", Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Robin Ras selittää.

"Mittausinstrumentti pystyy havaitsemaan pintojen mikroskooppisia virheitä, jotka ilmenevät pieninä vaihteluina kastumisominaisuuksissa. Tämä on erittäin tärkeää itsepuhdistuvien sekä jäätymistä, huurtumista, korroosiota ja biologisen aineksen kertymistä estävien tuotteiden kehittämisessä, sillä niissä pienetkin viat voivat haitata koko pinnan toimintaa”, 

Erittäin herkkä SDAM-tekniikka on tuhat kertaa tarkempi kuin parhaat nykyiset kastumisominaisuuksien mittaamiseen käytetyt menetelmät. Ne pystyvät mittaamaan pisaroiden tarttumisvoimia mikronewtonin tarkkuudella, mikä ei riitä superhydrofobisten pintojen tutkimuksessa.

SDAM-tekniikalla pystytään myös mittaamaan pintojen mikroskooppisia ominaisuuksia ja epätasaisuuksia.

”Selvitimme pinnan vedenhylkivyyttä vesipisaroiden avulla niin, että mittasimme erittäin pieniä, nanonewtonien suuruisia, voimia pisaran koskettaessa pintaa ja irrotessa siltä. Teimme mittauksia näytepinnoilla millimetrin sadasosan välein, ja pystyimme näin laatimaan pinnan vedenhylkivyydestä kaksiulotteisen kuvan – tavallaan kartan sen kastumisominaisuuksista”, kertoo Aalto-yliopiston professori Quan Zhou.

Tähän mennessä pintojen kastumisominaisuuksien tutkimisessa on käytetty kontaktikulman, eli vedenpinnan ja kiinteän pinnan kosketuskulman, mittaamista. Menetelmä on kuitenkin altis epätarkkuuksille erittäin vettähylkivillä pinnoilla.  

Uuden menetelmän etu on myös se, että toisin kuin kontaktikulman mittaaminen, se ei edellytä suoraa näköyhteyttä pisaran ja pinnan rajapinnalle, joten sillä voidaan mitata tekstiilien tai biologisten pintojen kaltaisia epätasaisia pintoja. SDAM-menetelmällä pystytään lisäksi tutkimaan pienten biosirujen, kemiallisten antureiden ja mikrosähkömekaanisten komponenttien ja järjestelmien mikroskooppisten toiminnallisten alueiden kastumista, mitä on vaikea tutkia perinteisillä menetelmillä.

Tutkimukseen osallistuivat tutkijat Ville LiimatainenMaja VuckovacVille JokinenVeikko SariolaMatti Hokkanen, Quan Zhou ja Robin Ras.

Jutun pohjana on Aalto-yliopiston tiedote.

Suuri harppaus eteenpäin: DNA selville käynnykällä

Pe, 01/20/2017 - 10:49 Toimitus

Mainoksen mukaan jokaista käyttöä varten on mobiilisovellus. Ihan pelkkä softa ei vielä riitä DNA:n analysointiin, mutta nyt sen vaatima laitteistokin on niin pieni, että se voi toimia kännyn lisävarusteena. Ja tämä on vasta alkua.

Ruotsalais-kalifornialainen tutkijaryhmä on valmistanut DNA-analysaattorin, joka voi toimia matkapuhelimen kanssa ja joka on niin pieni, että sitä voi äkkiseltään ajatellen pitää varsin massiivisena suojana puhelimelle. 

Laitteessa on kaksi laseria, valkoisen valon LED-valo ja suodattimia sekä optiikkaa yhdessä pienen valoa analysoivan ilmaisimen kanssa, ja se pystyy toimimaan tarkkana molekyylimikroskooppina ja tonkimaan geeniperimää selville.

Täyttä geenikartoitusta tällä laitteella ei voi tehdä, mutta se pystyy näyttämään onko solunäytteen kromosomissa merkkejä tuberkuloosista tai syövästä. Niin sanotussa sytogeneettisessa tutkimuksessa katsotaan kromosomien määrää ja rakennetta, ja tämä voidaan tehdä mikroskoopilla. Jos kromosomissa on katkoksia tai muutoksia, voi tämä olla merkki sairaudesta.

Laitteen tietokoneena toimii matkapuhelin. Unohdamme aika usein, että nykyiset älypuhelimet ovat hyvin tehokkaita tietokoneita ja ne ovat järeämpiä laskimia kuin supertietokoneet olivat vielä jokin aikaa sitten.

Normaalisti tämä DNA-tutkimus pitää tehdä laboratoriossa, mutta nyt – jos ja kun tämä noin 500 euroa maksava laite saadaan massatuotantoon – voidaan geenitesti tehdä melkeinpä missä vain ja milloin vain. Perinteiset tällaiset laitteet maksavat sata kertaa enemmän.

Yllä olevat kuvat näyttävät mitä laite pitää sisällään: se on "normaali" DNA-mikroskooppi, mutta vain kompakti, kenttäkelpoinen ja edullinen.

Kuten laboratorioissa olevissa laitteissa, kiinnitetään näytteen soluja mikroskooppilaseille ja kromosomit värjätään, jotta ne näkyvät paremmin. Mikroskoopin ottamat kuvat siirretään matkapuhelimeen, missä oleva ohjelmisto analysoi niitä.

Tarkempia tietoja laitteesta ja sen toimintaperiaatteesta on tuoreessa Nature Communications -julkaisussa ilmestyneessä artikkelissa (mistä yllä oleva kuvakin on).

Kun DNA-analysointitekniikka menee tästä vielä eteenpäin ja geeniperimän kartoitus voisi tapahtua nopeammin ja hyvinkin pienissä laitteissa, voitaisiin esimerkiksi avaimet korvata tällaisilla laitteilla. Tulevaisuuskuvissa esimerkiksi oveen voisi vain sylkäistä, jolloin se tutkisi kuka on tulossa sisään ja avautuisi vain kun se havaitsisi valtuutettujen henkilöiden DNA:ta näytteessä. 

Myös poliisille tällaiset laitteet olisivat käteviä – kuten myös erilaisille parempaa valvontaa ja vaikoilua havitteleville tahoille.

Ihme ja kumma: Tällainen on lumihiutale mikroskoopissa

Ti, 01/03/2017 - 11:38 Jari Mäkinen

Myös Suomen eteläiseen ja lounaiseen kolkkaan saatiin jälleen lunta. Millaista on oikeasti se valkoinen aine, mitä saatiin taas lapioida sivuun teiltä ja tantereilta?

Se, että lumihiutaleet ovat kuusisakaraisia, ei liene yllätys kenellekään. Mutta tämän näkeminen mikroskoopilla on silti yllättävää: vesi on oikeasti jäätynyt tähän omalaatuiseen muotoon ja sakaroissa on kiinni pieniä jäälevyjä.

Itse asiassa kuvan kaltaiset kauniit kuusisakaraiset lumihiutaleet ovat varsin harvinaisia, sillä varsin usein ne ovat levymäisiä tai naulasia, tai enemmän tai vähemmän epätäydellisiä tähtiä. Kiteiden muoto riippuu lämpötilasta ja kosteudesta, sekä tietysti siitä, kuinka pitkän matkan ilmassa ne ovat leijailleet alas ja millaiset olosuhteet olivat matkan varrella.

Kuusisakarainen tai -kulmainen muoto on kuitenkin aina näkyvissä, koska veden molekyylirakenteessa on jokaista happiatomia kohti kaksi vetyatomia ja niiden välisistä sidoksista johtuen jääkiteissä toistuu aina 120°:n kulmia tuottava kiderakenne.

 

Olennaisin vaikuttava tekijä lumihiutaleen muodolle on lämpötila: lähellä nollaa syntyy tyypillisesti levyjä ja pikkupakkasessa pilareita. Noin 10 – 20°C:n välillä syntyy jälleen levyjä ja sen kylmemmällä puolella jälleen pilareita.

Monihaaraiset, tähtimäiset kuviot syntyvät yleensä ilman kosteuden ollessa suuri, ja kuivassa syntyy yksinkertaisempia kiteitä. 

Maan pinnalla lumihiutaleita katsellessa kannattaa myös muistaa, että ne tarttuvat helposti toisiinsa ja saattavat jopa sulaa sekä jäätyä kiinni naapureihinsa, jolloin tuloksena saattaa olla isojakin klönttejä, jotka eivät enää ole sinällään kuusikulmaisia.

Yleensä sade alkaa kaikkialla aina jääkiteinä. Tyypillisesti sadepilven yläosassa on pakkasta, joten siellä kasvaa pieniä jääkiteitä ja alijäähtyneitä vesipisaroita. Kun pilvessä oleva ilman noste enää kannattele niitä paikallaan, alkavat ne pudota alaspäin. Sateessa nämä sulavat nopeasti, mutta kun ilma on kylmää, ne kestävät alas pinnalle saakka – sekä kehittyvät vielä siinä matkalla edelleen.

Lumi on ihana asia – erittäin konkreettinen osoitus luonnon toiminnasta sekä luonnonlaeista!

Kuva: Wikimedia / Jacopo Werther

Älä usko kaikkea mitä näet – etenkään kun katsot mikroskooppiin väärästä päästä

La, 10/03/2015 - 09:04 Jari Mäkinen
Kuvakäsitelty kuva silmästä mikroskoopissa

Päivän kuvaNetissä ja sen tiedettä huutomerkeillä esittelevillä sivuilla näkee kaikenlaisia hauskoja ja upealta näyttäviä kuvia. Ja hyvä niin, sillä upeita kuvia on tieteen maailma pullollaan.

Mutta mukana on varsin paljon myös tällaisia yllä olevan kuvan kaltaisia kuvia, jotka valehtelevat.

Kuvatekstin mukaan tässä on näky mikroskoopin alapuolelta otettuna siten, että sieltä – tutkittavan kohteen paikalta – voisi katsoa ylös mikroskooppiin ikään kuin väärästä päästä. Kuva antaa ymmärtää, että sieltä näkyisi silmä, joka katsoo alas mikroskooppiin.

Silmä voikin olla katsomassa mikroskooppiin, mutta se ei näkyisi kyllä näin. Ensinnäkin mikroskoopin optiikka on sellainen, että kuva silmästä olisi hyvin, hyvin pieni; periaate on sama kuin kiikareihin "väärältä" puolelta katsoessa, jolloin kaikki näkyy kovin pienenä. Toiseksi ihmisen silmän sisällä ei ole valoa, joka toisi näkyviin iiriksen ja pupillin näin hyvin. Koska mikroskoopin sisälläkään ei ole valoa, joka valaisisi ne ulkoapäin, näkyisi silmä mikroskoopin läpi mustana. Oikeasti kuva olisi siis musta.

Erilaisia linssisysteemejä viritelleet friikit huomaavat vielä yhden virheen: pupilli ei ole aivan keskellä, ja jotta tällainen kuva edes periaatteessa olisi mahdollista ottaa, pitäisi alla olevan kameran, mikroskoopin linssien ja silmän olla aivan samalla suoralla.

Kyse on siis kuvasta, missä on mikroskoopin alapuolelta otettu kuva ja käsitelty kuva silmästä on laitettu yhteen – mutta mitä siitä, kuva on kaunis! On hienoa nähdä tällaisia kuvia, kuten vielä hurjempiakin kuvamanipulaatioita, mutta niitä esiteltäessä olisi mukavaa kertoa, että kyse ei ole "todellisesta" kuvasta. Oikeita, upeita ja todellisia kuviankin on tarjolla vaikka kuinka...

Katsomisen keinot, näkemisen tavat

To, 08/20/2015 - 10:23 Helena Sederholm

Tänä vuonna on julkaistu kaksi kiinnostavaa kirjaa, jotka linkittävät toisiinsa taiteen ja tieteen. Molempien sanoman ydin on, etteivät asiat ole sitä miltä ne näyttävät, eikä näkeminen ole mikään yksinkertainen asia vaan taito, joka täytyy opetella. Ja se pitää opetella aina uudestaan, sillä eri aikoina erilaiset kulttuuriset, poliittiset, aatteelliset ja teknologiset tekijät vaikuttavat paitsi siihen, mitä katsotaan, myös siihen miten nähdään ja miten nähtyä kuvataan. 

Johanna Vakkarin toimittama Perspektiivi kuvataiteen historiassa (Gaudeamus 2015) tarkastelee erilaisia tapoja luoda tilaa ja käsitellä aikaa taiteessa. Kun taiteessa puhutaan perspektiivistä, monen mieleen tulee ensimmäisenä renessanssin keskeisperspektiivi, joka on matemaattinen konstruktio. Kun katsoo yhdellä silmällä, asiat katoavat samassa linjassa yhteen pakopisteeseen. Ongelma vain on, että kun siirtyy piirunkaan verran siitä yhdestä näkökulmasta – tai avaa molemmat silmät – koko kuva muuttuu. 

Perspektiiviproblematiikkaa pohdittiin paljon jo antiikissa ja keskiajalla optiikan tutkimus tuotti tuloksia, joilla oli suuri merkitys äärettömyyden ja avaruuden käsitteiden ja siinä mielessä myös keskeisperspektiivin kehittymiselle. Roger Bacon kirjoitti 1200-luvulla joukon tutkimuksia, jotka hän lähetti paaaville yhdessä optisen linssin kanssa. 

Yhdessä kirjoituksessa Bacon vaati, että taiteilijat tulisi perehdyttää geometriaan, jotta heidän uskonnolliset maalauksensa olisivat paremmin jäsennettyjä. Baconille matematiikka oli keino hankkia tietoa maailmasta ja taiteilijoiden piti hänen mielestään kuvata luomakuntaa mahdollisimman selkeästi.

Edes renessanssin aikana 1400-luvulla taiteilijat eivät kuitenkaan käyttäneet keskeisperspektiiviä maalauksissaan johdonmukaisesti. Kun he pyrkivät luonnonmukaisen havaintotodellisuuden toistamiseen, he poikkesivat keskeisperspektiivistä kokonaisvaltaisen katsojakokemuksen hyväksi. Matematiikan tärkeyttä näkökokemuksen ymmärtämisessä saatettiin korostaa, mutta käytännössä taiteilijat tukeutuivat aistihavaintoon ja erilaisiin tapoihin kuvata tilaa.

Niin kutsuttu renessanssiperspektiivi onkin ollut vain yksi kuvataiteen tapa luoda tilaa ja kertoa tarinoita. Vakkarin toimittamassa kirjassa kuvataan myös monipuolisesti empiiristä perspektiiviä, käänteisperspektiiviä, arvoperspektiiviä, väriperspektiiviä, ilmaperspektiiviä, epäeuklidiseen matematiikkaan perustuvia perspektiivinäkemyksiä, kaarevaa perspektiiviä, simultaanisuutta ja taiteilijoiden näkemyksiä neljännestä ulottuvuudesta.

Näkeminen on fysiologisen ja psykologisen yhteistoimintaa. Kiinnitämme huomion johonkin, mutta kyse on myös kommunikatiivisuudesta: haemme näkemästämme kokonaisuuksia, pyrimme selkeyteen ja tartumme tuttuun. Jo filosofi John Locken mukaan havainto on yhtä lailla tottumuksen tuottamaa kuin kerätyn tiedon soveltamista. Sittemmin on oivallettu, että myös käyttämämme havaintoväline, olipa se kaukoputki tai mikroskooppi, vaikuttaa katsomiskokemukseen. 

Siksi perspektiivi-kirjan luettuaan onkin hyvä tarttua Laura J. Snyderin kirjaan Eye of the Beholder. Johannes Vermeer, Antoni van Leeuwenhoek, and the Reinvention of Seeing (Head of Zeus 2015), joka käsittelee muun muassa sitä, kun nähdään jotakin uutta, eikä katsoja tiedä mitä näkee. 

Äkkiseltään voisi ajatella, että camera obscuran, linssien ja peilien tuottama perspektiivikuva, Johannes Vermeerin taiteellinen toiminta ja Antoni van Leeuwenhoekin mikroskooppikokeilut eivät liity toisiinsa juuri muuten kuin, että Leeuwenhoek ja Vermeer asuivat samaan aikaan 1600-luvun puolimaissa samassa kaupungissa, torin vastakkaisilla puolilla. Snyderin mukaan on todennäköistä, että he tunsivat toisensa, vaikka siitä ei suoria historiallisia todisteita olekaan. Miehiä yhdisti kuitenkin kiinnostus linsseihin. 

1600-luvun taiteilijat käyttivät paljon optisia välineitä: linssejä ja peilejä. Niiden avulla he tekivät perspektiivisiä ja optisia kokeiluja. Perspektiivin saattoi luoda kuvaan ilman työlästä matematiikkaa. Esimerkiksi koveran linssin avulla taiteilija saattoi tutkia korostuneita värejä ja yksityiskohtia sekä esineiden ulottuvuutta suhteessa ympäristöön. 

Monet taiteilijat käyttivät koveria linssejä myös laajentaakseen kaupunkinäkymien kuva-alaa. Esimerkiksi Carel Fabritius käytti todennäköisesti kaksoiskoveraa linssiä maalatessaan Näkymää Delftissä 1652, mikä selittäisi perspektiivin vääristymät kuvan laidoilla.

Vermeer käytti joko kuperaa peiliä tai kaksoiskoveraa linssiä maalatessaan Nukkuvaa palvelijatarta (n. 1656–57) ja eräitä muita teoksia 1650-luvulla. Mutta kuten keskeisperspektiiviä käyttäneet renessanssitaiteilijat, ei Vermeerkään toistanut orjallisesti optisten välineitten läpi näkemäänsä, vaan teki maalauksiin muutoksia, jos ne paransivat esteettistä vaikutelmaa. Vermeerin sommitelmat ovat myös hyvin geometrisia ja on arveltu, että hänen mestarillista ja intensiivistä värien ja sävyjen käyttöään avitti myös camera obscura.

Samoihin aikoihin kun Vermeer maalasi koverien linssien kanssa, hänen naapurinsa, kangaskauppias van Leeuwenhoek kiinnostui myös linsseistä, joita hän valmisti itse. Hän teki pienen herneen kokoisia pisaralinssejä ja valmisti joidenkin laskelmien mukaan elämänsä aikana kaikkiaan 566 mikroskooppia, joista vain yhdeksän on säilynyt. 

Jos erilaisten perspektiivien avulla taiteessa voitiin kuvata asioiden välisiä suhteita ja luoda erilaisia tiloja, niin 1600-luvulla kehitetyt teleskooppi ja mikroskooppi mullistivat asioiden mittakaavan. Taivaalla oli enemmän tähtiä kuin oltiin laskettu ja mikroskooppi paljasti aiemmin kokonaan näkymättömissä olevia maailmoita.

Snyderin kirjaa lukiessa on kiehtovaa yrittää ymmärtää, miltä Lontoossa Royal Societyn herroista tuntui, kun he yrittivät käsittää, miten van Leeuwenhoek näki tuhansia ja taas tuhansia pieniä otuksia yhdessä vesipisarassa. Tarvittiin mielikuvitusta, jotta opittiin tajuamaan mitä oikeastaan nähtiin ja mitä ei. 

Vielä pitkään monet tutkijat tuijottivat mikroskooppiin yrittäen löytää jotakin, mitä he tiesivät olevan, kuten Nicolaas Hartsoeker, joka "löysi" 1690-luvulla siittiön sisältä valmiin pikkuihmisen, homunculuksen; sitä myös Leeuwenhoek etsi, muttei koskaan väittänyt löytäneensä.

Leeuwenhoekia kiinnosti myös näkemisen fysiologia: hän tutki toistuvasti mikroskoopeillaan yhtä lailla mehiläisen kuin lehmänkin silmiä: näköhermostoa, iiristä, sarveiskalvoa ja verkkokalvoa.

Vermeerin ja Leeuwenhoekin tekemisten yhdistäminen samoin kuin tieteenhistorialliset viittaukset Perspektiivi-kirjassa konkretisoivat sekä tieteen että taiteen tutkimuksellista luonnetta. Molemmilla alueilla mielikuvitus on tärkeä tekijä sekä näkemään oppimisen että nähdyn tulkitsemisen kannalta. 

Kumpikin kirja kuvaa lisäksi sitä kuinka kansainvälisesti ideat ja ajatukset levisivät Euroopan eri kolkkiin ja miten niitä kehitettiin. Ei ole ollenkaan yllättävää, että tiedettä ja taidetta yhdistäviä kirjoja julkaistaan juuri nyt, kun mikroskooppi on myös taiteen tekemisen väline, solu- ja nanotaso taiteen materiaaleja ja kun esimerkiksi avaruustutkimuksen löytöjen ymmärtämiseksi niitä täytyy jäsennellä visuaalisesti eri tavoin.

Maailman pienin animaatioelokuva

Ke, 05/01/2013 - 12:13 Toimitus
Kuvakaappaus animaatiosta "A Boy and His Atom"

Tässä on varmasti maailman pienin animaatiofilmi, koska se on tehty yksittäisiä atomeja liikuttamalla.

Animaatio nimeltä "A Boy and His Atom", Poika ja hänen atominsa on tehty IBM-yhtiössä puolileikillään ja puoliksi tekniikan demoamiseksi käyttämällä hyväksi tuhansia tarkalleen oikeille kohdilleen asetettuja atomeja, joiden sijaintia postimerkin kokoisen kuparilevyn päällä pystyttiin muuttamaan tunnelointimikroskoopilla. Videossa on 250 kuvaa, jotka muodostavat yhdessä tarinan pojasta, joka ystävystyy ja leikkii atomin kanssa.

Videon taustalla on IBM:n Almadenin tutkimuslaboratoriossa, Kalifornian San Josessa, tehty tutkimustyö, jonka tuloksena kehitettiin tapa siirtää atomeja erittäin ohuen neulan avulla juuri haluttuihin paikkoihin. Tämän "skannaavaksi tunnelointimikroskoopiksi" kutsutun laitteen massa on pari tonnia ja sen kohteena olevat atomit jäähdytetään 268 asteen pakkaseen. Sen kehittäminen toi Gerd Binnigille ja Heinrich Rohrerille fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1986.

Jos laitteen kehittämiseen meni vuosia, kävi animaation tekeminen pikaisemmin: nelihenkinen ryhmä vietti sen parissa kaksi viikkoa ja kuuleman mukaan monet työpäivistä venyivät aamuvarhaisesta yöhön.

Koko video on alla; lisätietoja videon tekemisestä on toisessa IBM:n tänään julkistamassa videossa.