Uutiset

Uusi analyysimenetelmä antaa ennätystarkkaa tietoa hiilen rakenteesta – auttaa kehittämään räätälöityjä hiilipintoja lääketieteeseen

Yhdistämällä kokeellinen ja laskennallinen työ koneoppimisen avulla saadaan atomitason tietoa hiilen rakenteesta ja pintakemiasta.
carbon materials atomic structure image Anja Aarva Aalto university
Uuden menetelmän avulla hiilinäytteestä saatu kokeellinen spektri voidaan purkaa atomitason tiedoksi hiilen rakenteesta. Kuva: Anja Aarva / Aalto-yliopisto

Hiilimateriaaleista valmistetuilla antureilla voidaan saada ainutlaatuisen tarkkaa ja reaaliaikaista tietoa esimerkiksi perinnöllisistä sairauksista tai lääkkeiden vaikutuksesta kehossa. Lääketieteen lisäksi hiilimateriaaleja hyödynnetään muiden muassa akuissa, aurinkokennoissa ja vedenpuhdistuksessa.

Hiilimateriaaleihin on lähes aina sitoutuneena muita alkuaineita, jotka muuttavat niiden ominaisuuksia. Siksi materiaalien räätälöiminen haluttuihin käyttötarkoituksiin vaatii atomitason tietoa hiilen pintarakenteista ja niiden kemiasta. Nyt Aalto-yliopiston, Cambridgen, Oxfordin ja Stanfordin tutkijat ovat ottaneet uuden edistysaskeleen hiilimateriaalien atomitason luonteen kuvaamisessa.

Hiilipinnoista voidaan saada tarkkaa tietoa röntgenspektroskopialla. Sen tuottamaa dataa, spektriä, on kuitenkin erittäin työlästä tulkita, sillä spektriin summautuu tietoa lukuisista pinnan paikallisista kemiallisista ympäristöistä. Tutkijat kehittivät uuden systemaattisen analyysimenetelmän, joka yhdistää koneoppimisen avulla laskennallisen mallin (tiheysfunktionaaliteoria) ja hiilinäytteestä saadut tulokset.

Menetelmän avulla röntgenspektroskopian tuottama kokeellinen spektri voidaan purkaa atomitason tiedoksi.

”Aiemmin kokeellisia tuloksia on tulkittu eri tavoin tulkitsijasta riippuen, mutta nyt pystyimme analysoimaan tuloksia ainoastaan laskennallisia referenssejä hyödyntäen. Uuden menetelmän ansiosta ymmärrämme huomattavasti aiempaa paremmin hiilen pintakemiaa”, sanoo Aalto-yliopiston tohtoriopiskelija Anja Aarva.

Auttaa löytämään parhaan hiilipinnan eri käyttötarkoituksiin

Kaksiosaisessa tutkimuksessa tutkijat tarkastelivat aluksi, millä tavalla eri tavoin sitoutunut hiili vaikuttaa kokeellisen spektrin muodostumiseen. Tämän jälkeen mitattu spektri pyrittiin koostamaan laskennallisilla spektreillä ja saamaan määrällinen arvio siitä, mistä kokeellinen spektri koostuu. Näin voitiin määrittää, mistä hiilinäyte koostuu atomitasolla. Menetelmä soveltuu hiilen eri muotojen, kuten grafeenin, timantin ja amorfisen hiilen, pintakemian analysointiin. 

Tutkimus on jatkoa Aalto-yliopiston tutkijatohtori Miguel Caron sekä Oxfordin professori Volker Deringerin kanssa yhteistyössä tehdylle työlle, jossa kartoitettiin laajasti amorfisen hiilen rakennetta ja reaktiivisuutta. Työssä on hyödynnetty Cambridgen professori Gabor Csányin ja professori Volker Deringerin kehittämiä koneoppimiseen perustuvia menetelmiä. Kokeellisista mittauksista vastasi Stanfordissa työskentelevä tutkijatohtori Sami Sainio.

”Seuraavaksi aiomme käyttää kehittämäämme menetelmää ennustamaan, millainen hiilipinta olisi paras esimerkiksi tiettyjen hermovälittäjäaineiden sähkökemialliseen tunnistamiseen ja pyrkiä sitten kokeellisesti valmistamaan halutun pinnan. Näin laskennallinen työ ohjaisi kokeellista työtä eikä päinvastoin, kuten on aiemmin tyypillisesti ollut”, sanoo Aalto-yliopiston professori Tomi Laurila.

Tutkimus on julkaistu kaksiosaisessa artikkelissa arvostetussa Chemistry of Materials -julkaisussa.

Linkit artikkeleihin:
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.9b02049
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.9b02050

Lisätietoja

Tohtoriopiskelija Anja Aarva
Aalto-yliopisto
[email protected]
p. +358 503740912

Professori Tomi Laurila
Aalto-yliopisto
[email protected]
+358 503414375

Lue lisää aiheesta

Hiilen muodostamia paikallisia atomirakenteita on lukuisa määrä, mutta ne voidaan jaotella vain muutamiin ryhmiin, joilla on tyypilliset atomi- ja elektroniset ominaisuudet.
Uutiset
Saapuvien ja osuman saaneiden atomien liikeradat tetraedrisen amorfisen hiilen pinnoituksen aikana.

Timantinkaltainen hiili syntyykin eri lailla kuin on uskottu – koneoppiminen mahdollisti uuden mallin kehittämisen

Räätälöityjä hiilipintoja voidaan hyödyntää muun muassa lääketieteessä ja vedenpuhdistuksessa.

Uutiset
Lääkeainepitoisuuksia mittaava anturi / Kuva: Niklas Wester

Uusi mittausmenetelmä voi ehkäistä vahvojen kipulääkkeiden yliannostusta ja myrkytyskuolemia

Tramadolin vaikutukset ovat yksilöllisiä. Nyt niitä pystytään ennustamaan ja seuraamaan tarkemmin nopealla lääkepitoisuuden mittauksella.

Uutiset
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Smart City Challenge
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Neljä älykaupungin pilottihanketta käyntiin tammikuussa 2021

Kansainvälinen haaste keräsi yhteensä 71 älykaupunkeihin liittyvää ideaa.
ARTS open science roadshow, pic of the session
Tutkimus ja taide Julkaistu:

European Open Science Cloud (EOSC) Finnish Forumin webinaari 25.1.2021

Yksi puhujista on Karel Luyben, European Open Science Cloudin (EOSC) ensimmäinen puheenjohtaja ja Aalto-yliopiston hallituksen jäsen.
Installation Talk 2020, Jarkko Niiranen
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Professori Jarkko Niiranen: Rakenteiden suunnittelun perustana ovat matemaattiset mallit

Laskennallisen rakennetekniikan vakituiseen associate professor -tehtävään nimitetty Jarkko Niiranen käsittelee esityksessään laskennallista mekaniikkaa.
Dronen ottama kuva Otakaari 1:sestä, kuva: Mikko Raskinen
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Mistä tietää ilman GPS-signaalia, missä lennokki lentää?

Jouko Kinnarin väitöstutkimuksessa dronen sijainti selviää karttatietojen sekä antureiden avulla.