Sivu 1/8 Akatemian etusivu > Ohjelmat ja yhteistyö > Akatemiaohjelmat > Päättyneet > FinNano 2006-2010 > Tutkimushankkeet Tutkimushankkeet BIOTARGET-konsortio: Biologically guided nanoparticles - targeting, safety and imaging technology Nanopartikkelien kohdistaminen soluihin Konsortion johtaja: Jyrki Heino, Turun yliopisto (jyrki.heino(at)utu.fi) Muut jäsenet: Ralph-Johan Back, Åbo Akademi; Sirpa Jalkanen, Turun yliopisto; Mika Linden, Åbo Akademi. Nanoteknologian kehityksen odotetaan johtavan nopeaan kehitykseen lääketieteellisessä kuvantamisessa ja lääkkeiden kohdentamisessa. Samaan aikaan lisääntyy huolestuminen turvallisuusnäkökohdista. BIOTARGET-konsortion tavoitteena on kehittää piidioksidipohjaisia, biologisesti kohdistettuja nanopartikkeleita, joita voidaan käyttää lääkeaineen kuljettajina tai kohdistettaessa antigeenejä immunoresponsiivisiin soluihin (rokote). Samalla kehitetään uusia kuvantamismenetelmiä, joilla voidaan selvittää mihin nanopartikkelit elävien solujen ja kudoksen sisällä päätyvät. Erityisenä kiinnostuksen kohteena on partikkeleiden biologisen turvallisuuden arviointi, ja yhtenä projektin tavoitteena on asettaa kriteereitä nanopartikkeleiden myrkyllisyydelle immuunisysteemitasolla ja yhden solun tasolla. Tutkimuksessa liitetään fluorisoivia yhdisteitä kovalenttisesti partikkeleihin tai vaihtoehtoisesti partikkeleissa oleviin huokosiin, minkä ansiosta partikkelit voidaan havaita biologisessa systeemin sisällä. Lääkeaineet (tulehdus- tai syöpälääke) liitetään ei-kovalenttisesti partikkelin huokosiin niiden kontrolloitua vapauttamista varten. Partikkelit ovat perustana uuden sukupolven lääkeainekantajille, joissa yhdistyy lääkeaineen kuljetus ja hiukkasten seuraaminen havainnollisesti. Solujen pintaproteiinien, reseptorien, ominaisuuksia käytetään hyväksi kohdistettaessa nanopartikkelit oikeisiin solutyyppeihin. Nanopartikkeleiden päätymistä ja kulkeutumista elävissä soluissa voidaan seurata konfokaalimikroskopialla (confocal microscopy). Tärkeä osa projektia on kehittää uusia ominaisuuksia nykyiseen mikroskopiaohjelmistoon. (Volyymi: 887.000 euroa) FERNAND-konsortio: Nanodevices using functionality in ferroelectrics Ferrosähköistä funktionaalisuutta hyödyntävät nanokomponentit Konsortion johtaja: Marina Tjunina, Oulun yliopisto (marinat(at)ee.oulu.fi) Muut jäsenet: Markku Leskelä, Helsingin yliopisto; Risto Nieminen, Teknillinen korkeakoulu. Perovskiittirakenteisilla ferroelektrisillä (FE) materiaaleilla on monia mielenkiintoisia ominaisuuksia. Eri vaikutusten ja ominaisuuksien yhtäaikainen esiintyminen ja niiden voimakas riippuvuus lämpötilasta ja sähkökentästä tekee ferroelektreistä toiminnallisia ja älykkäitä materiaaleja. Yksikiteisessä tai keraamimuodossa olevien ferroelektrien toiminnallisuutta on hyödynnetty eri sovelluksissa ja joitain sovelluksia ohutkalvojen käytöstä on myös olemassa. Ohutkalvotekniikoiden kehittyessä on mahdollista edistyä myös nanoskaalan, ei-tasomaisten substraattien käytössä. Mallitusta käyttämällä on mahdollista löytää koosta riippuvia ferroelektrien uusia ominaisuuksia, jotka bulkkimuodoilta puuttuvat. Jos näitä nanokokoluokan ilmiöitä kyettäisiin tuottamaan konformaalisina kalvoina, mahdollisuudet uusien sovelluksien räätälöintiin olisivat olemassa. Tässä projektissa on tarkoituksena kehittää uusia nanolaitteita, jotka hyödyntävät ferroelektrisyyttä. Hanke kokoaa teoreettikkoja ja kokeellisia tutkijoita, fyysikkoja, kemistejä, materiaalitutkijoita ja elektroniikka insinöörejä. Monitieteellisyyden tuoman synergian avulla on mahdollista päästä lopputulokseen eli valmistaa monitoiminnallisia nanoskaalan ferroelektrisia systeemejä ja laitteita. (Volyymi: 652.000 euroa) FUNANO-konsortio: Functional Nanoparticles and Devices Funktionaaliset nanopartikkelit ja -laitteet Konsortion johtaja: Jouko Korppi-Tommola, Jyväskylän yliopisto (ktommola(at)jyu.fi) Muut jäsenet: Konstantin Arutyunov, Jyväskylän yliopisto; Lauri Kettunen, Tampereen teknillinen yliopisto;
Sivu 2/8 Markku Leskelä, Helsingin yliopisto; Ilari Maasilta, Jyväskylän yliopisto; Matti Manninen, Jyväskylän yliopisto; Sorin Paraoanu, Jyväskylän yliopisto. Hanke keskittyy nanopartikkeleiden, nanosauvojen, kvanttipisteiden ja valmistettujen nanorakenteiden sähköisten-, optisten-, magneettisten- ja termisten ominaisuuksien tutkimukseen, hyödyntämällä vaativia kokeellisia ja teoreettisia menetelmiä. Perustutkimuksen haasteena ovat yksittäisten nanopartikkelien ominaisuudet sekä molekyylinanopartikkeli-, nanopartikkeli-nanopartikkeli- ja nanopartikkeli-johdepinta-vuorovaikutukset. Tutkimuskonsortiossa yhdistyy fysiikan, kemian ja tekniikan osaaminen. Tavoitteena on tuottaa uutta tietoa, jota voidaan hyödyntää nanopartikkeleihin perustuvissa uusissa ja tunnetuissa käytännön sovellutuksissa, kuten aurinkokennot, näytöt, optoelektroniikan komponentit ja ilmaisimet. Teknologisena tavoitteena on kehittää ja testata nanopartikkeleihin perustuvia ja massatuotantoon soveltuvia menetelmiä; erityisesti väriaineaurinkokennojen ja keveiden näyttöjen sekä tummuvien pintojen valmistamiseksi taipuisalle alustalle. Nanotieteen kokeellisista menetelmistä hyödynnetään mm. pintojen hallittua atomitason kerrostamista, nanolitografiaa, mittauksia milli-kelvinien lämpötiloissa, mikro- ja nanokokoisten laitteiden sähkömagnetiikkaan liittyviä mittauksia, nanotason mikroskopiaa ja tunnelointispektroskopiaa sekä (elektronisiirtoprosessien tutkimiseksi) lasermittauksia femtosekuntien aikaskaalassa. Teoriaosuudessa toimitaan kahdella tasolla: 1) molekyyli- ja nanopartikkelitasolla hyödynnetään tiheysfuntionaalimenetelmiä, ja 2) mesoskooppisella tasolla kehitetään nanopartikkeleihin perustuvien systeemien sähkömagneettisia ominaisuuksia kuvaavia malleja. Hankkeella on käytettävissään merkittävä osuus paikallisen supertietokoneen kapasiteetista. (Volyymi: 892.000 euroa) MEP-konsortio: Molecular electronics and nanoscale photonics Molekyylielektroniikka ja nanomittakaavan fotoniikka Konsortion johtaja: Päivi Törmä, Jyväskylän yliopisto (paivi.torma(at)vtt.fi) Muut jäsenet: Markus Ahlskog, Jyväskylän yliopisto; Hannu Häkkinen, Jyväskylän yliopisto; Matti Kaivola, Teknillinen korkeakoulu; Henrik Kunttu, Jyväskylän yliopisto; Maija Nissinen, Jyväskylän yliopisto; Mika Pettersson, Jyväskylän yliopisto. Projektin tavoitteena on ymmärtää yksittäisten makromolekyylien sekä metallinanorakenteiden ja supramolekyylien yhdistelmien sähköisiä ja optisia ominaisuuksia. Näytteet valmistetaan state-of-the-art nanovalmistusmenetelmillä ja kemiallista itsekokoavuutta hyödyntäen, ja ne mahdollistavat sähköisten ominaisuuksien tutkimisen yksittäismolekyylitasolla. Optisia lähikenttätekniikoita ja pintaplasmoni-polaritoneja käytetään optiseen manipulointiin ja havainnointiin, esimerkiksi Raman spektroskopiaa hyödyntäen, ja tämä mahdollistaa alle valon aallonpituuden olevan paikkaresoluution. Tavoitteena on ymmärtää, yhdistämällä sekä optisia että sähköisiä mittauksia ja teoriaa, 1) hiilinanoputkien ja makromolekyylien virityksiä ja energiansiirtoa, 2) yksittäisten molekyylien tuottamaa optisen lähi- ja kaukokentän kytkentää, sekä optisten viritysten kytkentää elektronisiin (esimerkiksi varauksenkuljetus) ominaisuuksiin, 3) yksittäisten molekyylien ja metallin kontaktien ominaisuuksia, ja 4) uusia tapoja käyttää supramolekyylien itsekokoavuutta näytteiden valmistuksessa. (Volyymi: 1.028.740 euroa) NANOFUSED-konsortio: Nanopatterned, Functional Surfaces by Design Nanostrukturerade funktionella ytor via design Konsortion johtaja: Mika Linden, Åbo Akademi (mlinden(at)abo.fi) Muut jäsenet: Sami Areva, Turun yliopisto; Tuula Pakkanen, Joensuun yliopisto; Ronald Österbacka, Åbo Akademi. Hankkeessa tutkitaan uusia nanorakenteisia, funktionaalisia, meso- ja makrohuokoisia TiO2-ohutkalvoja, joiden rakentumista ohjaa supramolekulaarinen itsejärjestyminen. TiO2 on eräs tärkeimmistä transitiometallioksideista liittyen sen käyttökelpoisuuteen eri sovelluksissa: se on puolijohde eli soveltuu elektronien johteeksi fotokemiallisissa sovelluksissa, se on hyvä katalyyttinen hapetin, ja se on osoittanut hyviä osteokonduktiivisia ominaisuuksia käytettäessä luuimplanttien päällysteenä. Hankkeen päämääränä on hyödyntää näitä uusia ohutkalvoja muutamissa sovelluksissa,
Sivu 3/8 erityisenä kohteena optoelektroniikka ja biomateriaalit, joissa kalvon rakenne ja toiminta ovat tulosta molekyylien optimointi- ja suunnitteluprosessista. Projekti tuo yhteen neljä ryhmää, joiden osaamialueet yhdessä kattavat tarvittavan alueen uusien nanolaitteiden kehittämiseksi: synteesi, karakterisointi, toiminnallisuus ja sovelluspuoli. Lähestymistapa on tieteidenvälinen sisältäen kemiaa, fysiikkaa, tekniikkaa ja biotekniikkaa. Projekti tuo yhteiseen käyttöön materiaalien karakterisointiin soveltuvan laajan laitekannan, jota tarvitaan, koska tarkoituksena on siirtyä perinteisestä kokeiluihin perustuvasta lähestymisestä uuteen, rationaalisiin konsepteihin perustuvaan materiaalien suunnitteluun. (Volyymi: 768.000 euroa) NANOHEALTH-konsortio: Engineered Nanoparticles: Synthesis, Characterization, Exposure and Health Hazards Nanopartikkeleiden tuotto, karakterisointi, altistuminen ja terveyshaitat Konsortion johtaja: Kai Savolainen, Työterveyslaitos (kai.savolainen(at)ttl.fi) Muut jäsenet: Harri Alenius, Työterveyslaitos; Kaarle Hämeri, Työterveyslaitos; Jorma Joutsensaari, Kuopion yliopisto; Hannu Norppa, Työterveyslaitos; Pertti Pasanen, Kuopion yliopisto. Nanoteknologia on nopeasti kasvava osaamisalue, joka tuottaa jatkuvasti innovatiivisia ratkaisuja sovellettavaksi useilla eri teollisuuden aloilla. Tämänhetkinen nanoteknologiaan liittyvä huoli ja haaste on, että nanopartikkeleiden mahdollisista terveysvaikutuksista ei tiedetä tarpeeksi. Menestyksellinen nanoteknologiaan ja nanopartikkeleihin perustuvien innovaatioiden ja tuotannollisen toiminnan edellytys on, että käytettävien nanopartikkeleiden turvallisuus varmistetaan tasokkaalla toksikologian ja turvallisuuden tutkimuksella. Tutkimushankkeen tavoite on syntetisoida ja luonnehtia työympäristön kannalta tärkeitä nanopartikkeleita sekä arvioida niille altistumista ja altistumisen aiheuttamia terveysvaikutuksia. Hanke koostuu neljästä osahankkeesta: 1) nanopartikkeleiden tuotto, luonnehdinta ja käyttäytyminen eri olosuhteissa, 2) nanopartikkeleille altistuminen ja hengitysteiden fysiologiset vasteet, 3) nanopartikkeleiden aiheuttama keuhkotulehdus ja sen mekanismit, ja 4) nanopartikkeleiden genotoksiset vaikutukset. Altistuminen partikkeleille arvioidaan laboratoriossa ja työympäristössä. Partikkeleista määritetään niiden kokojakauma, pinta-ala ja - aktiivisuus sekä taipumus agglomeroitua. Nanopartikkeleiden aiheuttamat fysiologiset hengitystievasteet sekä tulehdusvaste ja sen mekanismit tutkitaan in vivo ja in vitro. Nanopartikkeleiden genotoksisuus ja interaktiot DNA:n kanssa tutkitaan sytogeneettisin ja kemiallis-analyyttisin menetelmin. (Volyymi: 795.510 euroa) NANOTOMO-konsortio: Mechanical Properties of Nanostructures Nanorakenteiden mekaaniset ominaisuudet Konsortion johtaja: Roman Nowak, Teknillinen korkeakoulu (rnowak(at)cc.hut.fi) Muut jäsenet: Juhani Keinonen, Helsingin yliopisto; Ari Lehto, Teknillinen korkeakoulu; Kai Nordlund, Helsingin yliopisto; Markus Pessa, Tampereen teknillinen yliopisto. NANOTOMO-projektissa tutkitaan nanorakenteiden mekaanisia ominaisuuksia. Tämä aihe on sekä tieteelliseltä kannalta kiehtova että modernien teknologisten sovellusten kannalta tärkeä. Tällä hetkellä nanorakenteiden mekaanisten ominaisuuksien karakterisoinnissa ovat ongelmana systemaattisen kokeellisen lähestymistavan ja nanomekaanisten testausmenetelmien puute. NANOTOMO edistää nanorakenteiden fysiikan ja teknologian ymmärtämistä yhdistämällä tieteelliset lähestymistavat: (i) nanoindentaatiotekniikka, (ii) molekyylisuihkuepitaksia, (iii) erilaiset optiset-, ionisuihku- ja muut menetelmät. Valittu lähestymistapa avaa mahdollisuuksia tutkia nanotason ja mesoskooppisen tason ilmiäitä, joissa rakenteiden mekaanista käyttäytymisen määräävät vuorovaikutukset, jotka voidaan ymmärtää vain ottamalla huomioon materian kvanttimekaaninen luonne. Projektin odotetaan tuovan perustavanlaatuista tietoa nanorakenteisten materiaalien mekaanisesta käyttäytymisestä ja johtavan kontrolloidussa olosuhteissa tapahtuvan atomitason nukleaation sekä mikrorakenteiden ja rajapintailmiöiden ominaisuuksien laajaan ymmärtämiseen. Lisäksi hankkeessa luodaan tietämystä rakenteellisten, mekaanisten, optisten ja sähköisten ominaisuuksien keskinäisistä suhteista matalissa dimensioissa (0-D, 1-D ja 2-D). Painopiste on nanorakenteiden elastisissa ja plastisissa ominaisuuksissa, vaurioiden syntymisessä ja dynamiikassa sekä paineen aiheuttamissa olomuodon muutoksissa. Muutokset näissä nanorakenteiden mekaanisissa ominaisuuksissa vaikuttavat vuorostaan
Sivu 4/8 optisiin ja sähköisiin ominaisuuksiin, joita tutkitaan yksityiskohtaisesti. (Volyymi: 738.320 euroa) OPNA-konsortio: Optical and Surface Properties of Nanoparticles Nanohiukkasten optiset ja pintaominaisuudet Konsortion johtaja: Markku Räsänen, Helsingin yliopisto (markku.rasanen(at)helsinki.fi) Muut jäsenet: Juhani Keinonen, Helsingin yliopisto; Markku Kulmala, Helsingin yliopisto; Ari Laaksonen, Kuopion yliopisto; Jouko Lahtinen, Teknillinen korkeakoulu; Ari Lehto, Teknillinen korkeakoulu; Kai Nordlund, Helsingin yliopisto; Sergey Novikov, Teknillinen korkeakoulu; Dage Sundholm, Helsingin yliopisto. Hankkeessa tutkitaan nanopartikkelien optisia ja kemiallisia ominaisuuksia ja se kohdistuu toisiaan lähellä oleviin aiheisiin: (1) perinteisellä piiteknologialla tuotettuun nanofotoniikkaan ja (2) nanoaerosolien optisiin, pinta- ja kemiallisiin ominaisuuksiin. Työt ovat ajankohtaisia optoelektroniikassa ja ilmakehän ilmiöiden ymmärtämisessä. Aerosolipartikkeleita tutkitaan kaasufaasissa ja molempia nanohiukkasia tutkitaan vangitsemalla ne kiinteisiin ympäristöihin, missä liittymäalueen ominaisuudet ovat tärkeitä. Tämä yhdistää valitut kohteet. Tutkimusta suunnataan nanohiukkasten fysikaalisten ja kemiallisten perusteiden selvittämiseen, tavoitteena uusien sovellusten löytyminen. Uskomme, että hanke luo perustaa optisen kommunikaation ja optisen laskennan vallankumoukselle mm. komponenttien koon pienentämisessä ja kestävyyden lisäämisessä. Useat ilmakehän kemialliset ja fysikaaliset ilmiöt tapahtuvat aerosolien pinnoilla valon vaikutuksesta. On huomattava, että pintakerroksen merkitys kasvaa hiukkasten koon pienentyessä, sillä kerroksen tilavuuden suhteellinen osuus kasvaa. Hankkeessa keskitytään nanohiukkasten pintakerrosten ominaisuuksiin. Keskeisiä hankkeessa ovat mm. seuraavat kohteet: (1) nanohiukkasia sisältävien optisten ja valoa emittoivien materiaalien valmistus ja niiden rakenteiden järjestäytymisen ja kiteisyyden hallinta käyttäen termistä tai laserpäästöä, (2) em. materiaalien valoemission, optisen vahvistuksen ja optisten ominaisuuksien, kuten aallonpituusselektiivisen aalto-ohjauksen, tutkiminen, (3) kiinteään väliaineeseen vangittujen nanopartikkelien paineeseen perustuvan optisen muistin konstruoiminen, (4) sekä kaasufaasissa että kiinteään tilaan vangittujen aerosolihiukkasten optisten, pintaominaisuuksien, kasvun, kemiallisten ja valokemiallisten ominaisuuksien selvittäminen. Kokeellisten tulosten atomitason ymmärtämiseksi käytetään laskennallisia menetelmiä. (Volyymi: 1.323.590 euroa) PEPBI-konsortio: Enhanced therapeutic effects via intelligent peptide-loaded nanoparticles Peptidien terapeuttisen vaikutuksen tehostaminen nanopartikkelien avulla Konsortion johtaja: Kristiina Järvinen, Kuopion yliopisto (kristiina.jarvinen(at)uku.fi) Muut jäsenet: Karl-Heinz Herzig, Kuopion yliopisto; Jorma Joutsensaari, Kuopion yliopisto; Vesa-Pekka Lehto, Turun yliopisto. Tutkimuksen yleinen tavoite on lisätä terapeuttisten peptidien hoitovastetta annostelemalla ne nanopartikkeleissa. Nanopartikkelit voidaan annostella injektioina tai muiden antoreittien kautta. Peptidejä sisältävät nanopartikkelit valmistetaan biohajoavasta polymeeristä (polymaitohappo, kitosaani ja niiden johdannaiset) tai huokoisesta piistä. Mallipeptidit työssä ovat leptiini, insuliini, greliinin antagonistit, oreksiini, glukagonin kaltainen peptidi-1, kolekystokiniini ja peptidi YY. Nämä peptidit vaikuttavat ruokahaluun, joten niitä sisältävien nanopartikkelien terapeuttinen vaste voidaan tutkia eläimillä fysiologisilla mittauksilla ja seuraamalla eläinten käyttäytymistä. Tutkimuksen yksityiskohtaiset tavoitteet ovat 1) Kehittää uusia aerosolimenetelmiä peptidejä sisältävien suun kautta tai injektiona annettavien nanopartikkelien valmistukseen. 2) Kehittää menetelmiä, joiden avulla huokoisesta piistä voidaan valmistaa peptidejä sisältäviä suun kautta tai injektiona annettavia nanopartikkeleita. 3) Tutkia peptidejä sisältävien nanopartikkelien vaikutus fysiologisiin suureisiin eläimillä ja eläinten käyttäytymiseen. Biohajoavia nanopartikkeleita voidaan käyttää lääkeaineiden kohdentamiseen ja lääkeaineiden vapautumisnopeuden säätelyyn. Terapeuttiset nanopartikkelit ovat pieniä (tyypillisesti 50-300 nm) kiinteitä valmisteita, joissa lääkeaine on sekoittunut kantajaainematriksiin tai adsorboitunut kantaja-aineen pinnalle. Kun nanopartikkelit valmistetaan huokoisesta piistä, lääkeaine on huokosissa, joiden halkaisijaa (2-50 nm) ja pintaominaisuuksia voidaan vaihdella. Nanopartikkelit lisäävät lääkeaineiden biologista hyväksikäytettävyyttä esimerkiksi hidastamalla lääkeaineen hajoamista biologisissa nesteissä ja
Sivu 5/8 parantamalla lääkeaineiden biofarmaseuttisia ominaisuuksia. Lääkeaineita sisältävät nanopartikkelit voidaan annostella injektioina tai muiden antoreittien kautta. Nanopartikkelit voivat läpäistä myös veriaivoesteen. Tässä työssä peptidejä sisältävät nanopartikkelit valmistetaan polymaitohaposta, kitosaanista ja niiden johdannaisista tai huokoisesta piistä. Nanopartikkelit valmistetaan polymeereistä perinteisillä menetelmillä (nanosaostus, kaksoisemulsiomenetelmä, koaservaatio) ja uusilla aerosolimenetelmillä. Lisäksi kehitetään uusia menetelmiä, joiden avulla huokoisesta piistä voidaan valmistaa peptidejä sisältäviä nanopartikkeleita. Huokosten koko säädetään lääkeaineen molekyylikoon mukaan ja peptidit adsorboidaan huokoisiin erilaisista nesteistä. Perinteisten menetelmien haittoina ovat peptidien mahdollinen denaturoituminen valmistuksen aikana ja huono kapselointitehokkuus. Hankkeessa kehitettävien uusien menetelmien avulla pyritään ratkaisemaan em. ongelmat. Peptidejä sisältävien nanopartikkelien terapeuttinen teho tutkitaan in vivo. (Volyymi: 742.990 euroa) TRANSPOLY-konsortio: Multiscale Modelling of Biopolymer Translocation Through Nanopores Moniskaalamallinnus biopolymeerien translokaatiolle nanoskooppisten huokosten läpi Konsortion johtaja: Tapio Ala-Nissilä, Teknillinen korkeakoulu (Tapio.Ala-Nissila(at)tkk.fi) Muut jäsenet: Mikko Karttunen, Tampereen teknillinen yliopisto; Riku Linna, Teknillinen korkeakoulu; Ilpo Vattulainen, Tampereen teknillinen yliopisto. Biopolymeerien translokaatio eli kulkeutuminen nanoskooppisten huokosten läpi on tällä hetkellä eräs tärkeimmistä biologisen fysiikan ja kemian ongelmista. Sillä on välittömiä teknisiä sovelluksia mm. molekyylien suodatuksessa, proteiinien kulkeutumisessa solukalvojen läpi, virusinjektoinnissa lääketieteellisiä solutason sovelluksia varten sekä erityisesti DNA- ja RNA-molekyylien sekvennoinnissa. Uusimmat teoreettiset laskelmat ovat selvittäneet, miten translokaatioprosessi riippuu biopolymeerien perusrakenteesta, mutta prosessin yksityiskohtia ei vielä ymmärretä kovin hyvin. Tämä pätee erityisesti silloin, kun tarkastellaan erilaisten vuorovaikutusten ja epätasapainoilmiöiden vaikutusta translokaation dynamiikkaan. Erityisesti biologisissa systeemeissä tiedetään, että translokaatiota voi tapahtua solukalvon läpi ilman proteiineja tai niiden avustamina. Näiden prosessien mikroskooppista luonnetta ei juurikaan ymmärretä. Translokaatioon liittyy joissain tapauksissa huokosten muodostumista solukalvon pinnalla, jonka seurauksena erilaiset biomolekyylit voivat kulkeutua tehokkaasti kalvon läpi. Tähänkään ilmiöön liittyviä yksityiskohtia ei tunneta hyvin. Tässä projektissa on tarkoitus tehdä biopolymeerien ja niiden karkeistettujen mallien translokaation monimittakaavaista tutkimusta. Mallinnus lähtee liikkeelle atomitason simulaatiomalleista sekä kiinteän aineen huokosille kuten hiilinanoputkille että biologisille huokosille solukalvoissa, joiden läpi proteiinit ja DNA voivat kulkeutua. Näistä atomitason malleista tullaan johtamaan efektiiviset vuorovaikutukset karkeistetuille malleille, joilla voidaan tarkastella suurempia aika- ja mittaskaaloja. Erityisesti tarkoitus on ottaa huomioon tärkeät hydrodynaamiset ja muut efektiiviset vuorovaikutukset kaikilla mahdollisilla mallinnustasoilla. (Volyymi: 793.000 euroa) Edellisten konsortiohankkeiden rahoituskausi päättyy 31.12.2010. ****************************** KANSAINVÄLISET YHTEISHANKKEET: ****************************** Thermal effects in nanoscale superconducting junctions Nanojäähdytin (NANOFRIDGE) Akatemian rahoittama suomalaisosallistuja: Jukka Pekola, Teknillinen korkeakoulu (jukka.pekola(at)hut.fi) Muut osallistujat (ei Suomen Akatemian rahoituksella): Hervé Courtois, CRTBT-CNRS, Grenoble, Ranska (konsortion johtaja); Francesco Giazotto, NEST and SNS, Pisa, Italia; Teun Klapwijk, TU Delft, Hollanti.
Sivu 6/8 Nanojäähdytin-projektissa tutkitaan fysikaalista systeemiä jossa materiaalia voidaan jäähdyttää aina 0.01 K lämpötilaan ajamalla sähkövirtaa sen läpi. Tämän tulisi olla mahdollista, jos virrantiheys on riittävä ja jäähdytettävä kappale on pieni: nämä molemmat ominaisuudet ovat tyypillisiä nanorakenteille. Tutkimme normaalimetalli-suprajohde -hybridilaitteiden termisiä ominaisuuksia erityisesti epätasapaino-olosuhteissa. Viimeaikaiset edistysaskeleet ei-paikallisesta Andreevheijastuksesta ja puolimetallipohjaiset tunneliliitokset ovat tuoneet uusia mahdollisuuksia tälle alalle niin perustutkimuksen kuin sovellutustenkin kannalta. Tutkimme nanoelektroniikkaan liittyviä perusilmiöitä hyvin matalissa lämpötiloissa kuten vaihekoherenssia. Tässä projektissa käytetään innovatiivisia materiaaleja ja optimoituja geometrioita, kehitetään teoreettisia malleja elektronisten epätasapainoilmiöiden kuvaamiseksi nanoskaalassa ja tehdään paikallisia täsmämittauksia epätasapainojakaumien määrittämiseksi. Hanke kuuluu ERA-NET-konsortion NanoSci-ERA (ks. www.nanoscience-europe.org) yhteishaussaan (NanoSci-ERA Transnational Call for Collaborative Proposals 2006) vuonna 2006 rahoittamiin hankkeisiin. Suomen Akatemia on osallistujana NanoSci-ERA-hankkeessa ja FinNano-tutkimusohjelma osoitti rahoitusta vuoden 2006 yhteishakuun. (Hankkeen kokonaisrahoitus 800.000 euroa, josta Akatemian osuus 200.000 euroa) Optical Investigations of Novel Carbon Nanohybrid Material - NanoBuds (Fullerene Functionalized Carbon Nanotubes) Hiilen nanonuppujen optiset ominaisuudet Akatemian rahoittama suomalaisosallistuja: Esko Kauppinen, Teknillinen korkeakoulu (esko.kauppinen(at)vtt.fi) Toinen osallistuja, Venäjän perustutkimusrahaston rahoituksella: Elena Obraztsova, Natural Sciences Center of General Physics Institute, Russian Academy of Sciences, Venäjä. Tässä hankkeessa tutkitaan prof. Kauppisen ryhmän keksimän uuden hiilen nanomateriaalin - hiilen nanonuput (nanobuds) - optisia ominaisuuksia ja kehitetään niiden optisia sovelluksia. Lisäksi kehitetään optisia in-situ menetelmiä nanonuppujen karakterisoimiseksi. Vertailumateriaalina käytetään hiilen nanoherneitä (peabods). Yhteishanke on rahoitettu Suomen Akatemian ja Venäjän perustutkimusrahaston (RFBR) yhteisessä haussa optisen materiaalitutkimuksen alalla vuonna 2006. Hanke on sittemmin liitetty FinNano-tutkimusohjelmaan. (Akatemian rahoitus: 150.870 euroa) Optical investigation of the structure and dynamics of functional nanomaterials Funktionaalisten nanomateriaalien rakenteiden ja dynamiikan optinen tutkimus Akatemian rahoittama suomalaisosallistuja: Helge Lemmetyinen, Tampereen teknillinen yliopisto (helge.lemmetyinen(at)tut.fi) Toinen osallistuja, Venäjän perustutkimusrahaston rahoituksella: Michael G. Kuzmin, Moscow State University, Venäjä. Tutkimushanke on jatkoa kromoforisten yhdisteiden ja materiaalin optisen tutkimusen alalla tehdylle yhteistyölle. Tavoitteena on suunnitella järjestäytyneitä kiinteitä molekulaarisia nanorakenteita, joilla on sellaisia haluttuja toimintoja kuten valoenergian kerääminen sekä energian ja varauksen siirtokyky. Erityinen huomio kohdistuu funktionaalisten yhdisteiden valokemiallisiin ja -fysikaalisiin ominaisuuksiin liuoksissa sekä epäjärjestäyneissä ja hyvin organisoituneissa kiinteissä molekyylikalvoissa. Materiaalien ominaisuuksia tutkitaan käyttäen optisen spektroskopian tarjoamia tutkimusvälineitä, erityisesti femtosekuntiluokan absorptio- ja emissiomenetelmiä. Tutkimuksen tulokset kehittävät nanotieteitä yleensä ja samalla pyritään löytämään mahdollisuuksia soveltaa tuloksia molekulaarisen nanolaitteiden nopeasti kasvan kentällä. Hankkeen tutkimusryhmät koostuvat neljästä supramolekulaarisen valokemian alalla
Sivu 7/8 toimivasta tutkimusryhmästä: Materiaalikemian tutkimusryhmä Tampereen teknillisestä yliopistosta (hankkeen koordinaattori prof. Helge Lemmetyinen), Moskovan valtionyliopiston valokemian laboratorio (prof. Michael Kuzmin) sekä Venäjän Tiedeakatemian Kemiallisen kinetiikan ja reaktioiden instituutti (prof. Victor Plyusnin) ja Yleisen fysiikan instituutti (Dr. Alexander Alekseev). Yhteishanke on rahoitettu Suomen Akatemian ja Venäjän perustutkimusrahaston (RFBR) yhteisessä haussa optisen materiaalitutkimuksen alalla vuonna 2006. Hanke on sittemmin liitetty FinNano-tutkimusohjelmaan. (Akatemian rahoitus 149.720 euroa) Optical properties of GaN and GaAsN nano- and microstructures in terahertz spectral range GaN ja GaAsN nano- ja mikrorakenteiden optiset ominaisuudet THz-alueella Akatemian rahoittama suomalaisosallistuja: Harri Lipsanen, Teknillinen korkeakoulu (harri.lipsanen(at)tkk.fi) Toinen osallistuja, Venäjän perustutkimusrahaston rahoituksella: Dmitry A. Firsov, Saint-Petersburg State Technical University, Venäjä. Projektin tavoite liittyy puolijohderakenteiden fysiikkaan terahertsialueella (THz, aallonpituus 70-200 mikrometriä). Hankkeessa tutkitaan kokeellisesti ja teoreettisesti THz-alueen säteilyn vuorovaikutusta puolijohteiden heterorakenteiden vapaiden varausten ja epäpuhtauskeskusten kanssa. Näitä rakenteita voidaan käyttää kinteän olomuodon THz-laserien valmistukseen. Sovellutuksia on mm. materiaalitutkimuksessa, ympäristön monitoroinnissa, lääketieteellisessä kuvantamisessa, tietoliikentessä yms. Tutkittavat puolijohderakenteet perustuvat GaN ja GaAsN - rakenteisiin. Hankkeen lopussa pyritään demonstroimaan hankkeessa kehitettyjä THz-resonaattoreita rakenteiden stimuloituun emissioon THz-alueella. Yhteishanke on rahoitettu Suomen Akatemian ja Venäjän perustutkimusrahaston (RFBR) yhteisessä haussa optisen materiaalitutkimuksen alalla vuonna 2006. Hanke on sittemmin liitetty FinNano-tutkimusohjelmaan. (Akatemian rahoitus 157.740 euroa) Optical properties of metallic metamaterials Metallisten metamateriaalien optiset ominaisuudet Akatemian rahoittama suomalaisosallistuja: Sergei Tretyakov, Teknillinen korkeakoulu (sergei.tretyakov(at)tkk.fi) Toinen osallistuja, Venäjän perustutkimusrahaston rahoituksella: Vyacheslav V. Popov, Saratov Institute of radiotechnics and electronics, Russian Academy of Sciences, Venäjä. Tutkimusprojektin tavoitteena on tutkia valon ja plasmonivärähtelyjen keskinäisvaikutusta nanoreikiä sisältävissä metallirakenteissa. Tavoitteena on aikaansaada ali-aaltoresoluutio (sub-wavelength resolution) nk. täydellisen linssin (superlinssin) avulla soveltaen rakennetta havainnointi- ja kuvantamislaitteissa. Tiettyjen metallien nanoreikiin keskittyneiden plasmonivärähtelyiden ("puuttuvat" plasmonivärähtelyt) kentänvahvistuskerroin on noin 150 eli paljon suurempi kuin nanokappaleissa tapahtuvien värähtelyjen vahvistuskerroin. Suunniteltu superlinssi koostuu kahdesta dielektrisellä aineella erotetusta nanoreikiä sisältävästä metallikerroksesta. Suuri kentänvahvistuskerroin ja reikien tiivis asettelu mahdollistavat kohteiden kuvantamisen tarkkuudella, jonka määrää aallonpituutta paljon pienempi reikien periodi. Tarkoituksena on tutkia nanoreikien ja pinta-aaltomuotojen keskinäisvaikutusta, sekä löytää optimiedellytykset aliaaltoresoluutiolle. Analyyttisinä metodeina käytetään nanoreikiä sisältävien kerrosten homogenisointia, numeerista monikerrossirontaan perustuvaa Korringa-Kohn-Rostoker metodia, sekä integraaliyhtälömenetelmää. Ongelma, jossa nanoreikiä sisältävää kerrosta herätetään kerrosta lähellä sijaitsevalla pienellä lähteellä, ratkaistaan. Nanoreikiin keskittyneiden plasmonivärähtelyiden ja pinta-aaltomuotojen keskinäisvaikutusta tutkitaan tarkoituksena toteuttaa aliaaltoresoluutio lähteestä aallonpituuden suuruusluokkaa olevilla etäisyyksillä. Käytännön näkökulmasta tutkimusprojektin toteutuminen johtaa uuden optisen superlinssin suunnitteluun. Suunniteltu superlinssi mahdollistaa vähintään lambda/5 resoluution vähintään aallonpituuden etäisyydellä lähteestä, löytäen sovelluskohteita monissa
Sivu 8/8 nanoteknologian sovelluksissa kuten biosensoreissa ja valolitografiassa. Yhteishanke on rahoitettu Suomen Akatemian ja Venäjän perustutkimusrahaston (RFBR) yhteisessä haussa optisen materiaalitutkimuksen alalla vuonna 2006. Hanke on sittemmin liitetty FinNano-tutkimusohjelmaan. (Akatemian rahoitus 171.450 euroa) ** Kansainväliset yhteishankkeet päättyvät 31.12.2009. Viimeksi muokattu 24.4.2008 Ohjelman etusivu Hankkeet Tapahtumat Materiaalit Ohjelmaryhmä Linkkejä Lisätietoja päättyneistä ohjelmista voi tilata Suomen Akatemian ohjelmayksiköstä.