Keltainen kimpale vai rykelmä mustia hiukkasia? Molempia. Käsitys kullasta on muuttunut. Jyväskylässä tutkitaan, voisivatko kultahiukkaset kuljettaa täsmälääkkeitä verenkierrossamme.
Teksti Sisko Loikkanen, kuva Pexels
Keltaisena hohtava kulta on ollut himoittua metallia kautta ihmiskunnan historian. Muinaisista ajoista alkaen se on ollut arvostettu aine, josta on valmistettu ylellisyysesineitä. Edelleen kulta tuo taloudellista turvaa, ja kultaharkkoja ostetaan pahan päivän varalle.
Kemiallisesti kultaa on pidetty stabiilina, passiivisena alkuaineena: jaloon metalliin mikään ei pure.
Se ei hapetu. Liuottamiseen tarvitaan tehoainetta, kuningasvettä. Tuo suolahapon ja typpihapon seos pystyy syövyttämään kultakimpalettakin.
Kultakin voi olla reaktiivista
Kuuluisan brittiläisen tiedemiehen Michael Faradayn kerrotaan valmistaneen kullan nanohiukkasia Lontoossa jo 1850-luvulla. Hänen hiukkasensa olivat arviolta 100 nanometrin luokkaa.
Nykyisin tutkijat valmistavat huomattavasti pienempiä, vain muutaman nanometrin kokoisia hiukkasia. Tarkemmin tutkittaessa on paljastunut, että nanohiukkasina kulta on reaktiivista.
”Nanokulta, kuten nanorakenteiset metallit yleensäkin, voivat olla kemiallisesti aktiivisia, koska nanohiukkasen pintakerroksessa on sellaisia atomeja, jotka pystyvät muodostamaan kemiallisia sidoksia ympäristön kanssa”, laskennallisen nanotieteen professori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta selittää.
Kultananohiukkasen tarkan rakenteen selvitti ensimmäisen kerran amerikkalainen kemian nobelisti ja Stanfordin yliopiston professori Roger Kornberg tutkimusryhmineen. Tämä vuonna 2007 julkaistu tutkimus oli merkittävä etappi ja edistysaskel myös mahdollisia sovelluksia ajatellen.
Jyväskylän yliopiston fysikaalisen kemian professori Mika Pettersson kuvaa Kornbergin tutkimusta ”varsin isoksi jutuksi”.
Nobelisti Roger Kornbergin tutkima hiukkanen sisälsi 102 kulta-atomia.
Kulta-rikki-kulta-sidokset vahvistavat
Nobelistiprofessori Kornbergin tutkima hiukkanen sisälsi 102 kulta-atomia, jotka muodostivat kultaytimen. Ytimen päällä oli ligandeina orgaanista happoa, yhteensä 44 molekyyliä paramerkaptobentsoehappoa.
”Nanohiukkasena kulta ei ole stabiilia, ja siksi sen päälle tarvitaan tuollainen orgaaninen ligandikerros, joka peittää kultaisen keskustan kokonaan. Kullan ja ligandien rajapinnalle muodostuu kovalenttisia kulta-rikki-kulta-sidoksia, joiden ansiosta paketista tulee stabiilimpi, kestävämpi”, Pettersson kuvailee.
Kultananohiukkasen kiteyttäminen ei ole suinkaan helppoa, mutta Kornbergin ryhmä onnistui sen tekemään. Ryhmä pystyi määrittämään röntgensädekristallografian avulla, kuinka atomit ovat kiteessä järjestyneet toisiinsa nähden.
Kidekuvan mukaan 79 kulta-atomia muodosti ydinosan ja sen päälle 23 muuta kulta-atomia kuorikerroksen, jonka atomit sitoutuivat orgaanisissa ligandimolekyyleissä olevien rikkiatomien kanssa.
Lue myös: Hiilipallon uudet muodot – Tutuksi luultu hiili tuottaa tutkijoille yllätyksiä
Mikä tekee metallista metallin?
Jyväskylän yliopistossa tutkijat valmistivat kullan nanohiukkasia, jopa kahdenlaisia, ja tutkivat niitä spektroskopian avulla. Tutkimus julkaistiin vuonna 2015.
Näissä 102 ja 144 kulta-atomia sisältävissä hiukkasissa oli kultaisen ytimen päällä paramerkaptobentsoehappomolekyylejä orgaanisena ligandikerroksena. Spektroskooppiset tutkimukset paljastivat, että hiukkaset poikkeavat ominaisuuksiltaan huomattavasti.
”Simuloimme, miten täyteen ladattu kultahiukkanen käyttäytyy lääkekuljettimena veressä.”
”Kun 102 kulta-atomin hiukkanen käyttäytyy kuin molekyyli, niin 144 atomin hiukkanen onkin kuin pala kultametallia. Kultahiukkasen elektroniset ominaisuudet siis muuttuvat, kun kulta-atomien määrä kasvaa. Raja molekyylimäisestä metallimaiseen muotoon ei ole tarkka mutta tapahtuu 102–144 kulta-atomin välillä”, Pettersson sanoo.
Yllättävä tulos nosti esiin kysymyksen, mikä tekee metallista metallin.
Kimpaleessa kulta on metallia mutta nanomuodossa se voi käyttäytyä kuin molekyyli. Erot johtuvat hiukkasten erilaisista elektronisista rakenteista. Niitäkin on tutkittu Jyväskylässä.
Eri nanohiukkasilla on myös erilaiset optiset ominaisuudet, ja erikokoiset hiukkaset näyttävätkin erilaisilta.
”102 kulta-atomin hiukkaset ovat mustaa ainetta, kun taas isommat 50–100 nanometrin hiukkaset ovat punertavia. Kulta bulkkitavarana on tunnetusti keltaista”, Pettersson kertoo.
Ominaisuuksia tutkitaan tietokonemalleilla
Kultananohiukkasten ominaisuuksia voidaan tutkia laboratoriokokeiden lisäksi kehittyneillä teoreettisilla malleilla, tietokoneita käyttäen.
”Mallinnus auttaa tulkitsemaan laboratoriossa tehtyjen kokeiden tuloksia ja joskus myös ennustamaan uusia, kokeellisesti todennettavia nanohiukkasten ominaisuuksia”, professori Hannu Häkkinen perustelee.
Häkkinen käyttää mallinnustyössä muun muassa Nobel-palkittua tiheysfunktionaaliteoriaa. Yleensä mallinnus vaatii suurteholaskentaa.
”Tutkimme, kuinka hiukkasen koko ja muoto vaikuttavat elektronisiin ja optisiin ominaisuuksiin. Voimme tutkia myös dynamiikkaa liuoksessa ja vuorovaikutuksia hiukkasen ja ympäristön välillä, jopa miljoonien atomien systeemeissä.”
Nanohiukkasia lääkekuriireiksi
Kullan nanohiukkastutkijoiden mielessä siintävät myös mahdollisuudet erilaisiin sovelluksiin. Hiukkasille on jo povattu käyttöä muun muassa molekyylielektroniikassa.
Hannu Häkkinen puolestaan tutkii ryhmineen mahdollisia sovelluksia lääketieteessä.
”Kultananohiukkasen pinnan orgaaniseen molekyylikerrokseen voidaan liittää pienmolekyylejä, jotka toimivat syöpälääkkeenä tai lääkeaineen kohdesoluja tunnistavia molekyylejä, peptidejä.”
Ennen kuin nanohiukkasia voidaan siirtää elimistöön, niiden ominaisuuksia tutkitaan monelta eri kulmalta.
”Simuloimme parhaillaan, miten täyteen ladattu kultahiukkanen käyttäytyy lääkekuljettimena veressä, kun sen ympäristössä on eri proteiineja. Haluamme myös tietää, vaikuttavatko hiukkasen pintaan sitoutuneet proteiinit pintakerroksen rakenteeseen ja heikentävätkö ne soluja tunnistavien molekyylien toimintaa”, Häkkinen kertoo.
Jyväskylän yliopiston tutkijat ovat kehittäneet kultananohiukkasista toimivan sensorin solun organellien pH-mittaukseen, mutta kaupallista sovellusta tästä ei ole toteutettu.
Yksi toistaiseksi ratkaisemattomista kysymyksistä on, kuinka hiukkasia voidaan valmistaa suuria määriä tasalaatuisina.
Ihminen voi valmistaa kultaa, mutta kannattaako se?
Kallis katalyytti
Ulkomaiset tutkijaryhmät ovat saaneet lupaavia tuloksia hiukkasten käytöstä katalyyttinä.
”Kulta on aika kallista ainetta, mutta se on aktiivista hyvin pieninä hiukkasina. Ehkäpä materiaalikustannus ei nouse liian suureksi, jos insinöörit pystyvät valmistamaan stabiileja ja hyvin pieniä katalyyttihiukkasia.”
Häkkinen kertoo havainnollistavan hintaesimerkin.
”Kullan nykyhinta on 65 500 dollaria kilolta, mutta rhodium on vieläkin kalliimpaa ainetta katalyytteihin, sen kilohinta on peräti 143 000 dollaria.”
Kultaa hiukkaskiihdyttimessä
Keskiajalla alkemistit yrittivät transmutaatiota eli muuttaa lyijyä kullaksi. Myös Isaac Newton teki näitä kokeita Cambridgessä, onnistumatta.
Newtonin aikoihin se ei ollut mahdollista, koska atomin rakenteesta ja alkuaineiden jaksollisesta järjestelmästä ei ollut vielä käsitystä.
Nykyisin transmutaation kaltaisia reaktioita voidaan tehdä periaatteessa hiukkaskiihdyttimissä, ydinreaktioissa. Kokeet ovat hyvin hintavia ja taloudellisesti täysin kannattamattomia.
Vuonna 1980 kemian nobelisti Glenn Seaborg tutkimusryhmineen valmisti kulta-atomeja hiukkaskiihdyttimessä metallisesta alkuaineesta vismutista Lawrence Berkeley -laboratoriossa Kaliforniassa.
Kokeessa hiili- ja neonytimiä kiihdytettiin lähes valonnopeuteen ja törmäytettiin vismuttikalvoihin.
Kun hiukkassuihkun suurienergiset ytimet törmäsivät vismuttiatomeihin, ne poistivat osan vismuttiytimestä, jolloin jäljelle jäi protoniluvultaan pienentyneitä ytimiä.
Hiukkasseoksesta tutkijat identifioivat myös kultaisotooppeja. Niissä on neljä protonia vähemmän kuin vismutissa.
Mielenkiintoinen koe, mutta tieteellisesti lähinnä kuriositeetti.
Artikkelin kirjoittaja Sisko Loikkanen on tiedetoimittaja ja kemian tekniikan DI.
Lue myös: Ihmisellä ja sukkulamadolla on yhtä paljon proteiineja koodaavia geenejä
Ennen luultiin
Kulta on stabiilia.
Kulta on passiivista eikä reagoi.
Kulta on keltaista ainetta.
Kultaa ei voi valmistaa.
Nyt tiedetään
Nanohiukkasena kulta on aktiivista ja reagoivaa.
Se voi käyttäytyä kuin molekyyli.
Kultananohiukkaset
ovat mustaa ja punaista ainetta.
Sitä voi valmistaa hiukkaskiihtyttimessä.
Sisko Loikkanen
Kirjoittaja on palkittu tiedetoimittaja ja kemian tekniikan DI.
Tilaa uutiskirjeemme!
Saat uusimmat uutiset suoraan sähköpostiisi
95 %
On tyytyväisiä
500
Uutta työntekijää
2000
lukijaa
