Eestis ehitati maailma kiireim pööritaja
Möödunud aasta aprillis esitas üks päevalehe USA Today lugeja küsimuse: “Mis on kiireim inimese poolt valmistatud pöörlev objekt ja kui suur on selle kiirus?” Ning vastas: “See on Ago Samosoni ja ta kolleegide Tallinnas ehitatud rootor, mis teeb 70 000 pööret sekundis.”
Eesti teadlaste maailma kiireimat pööritajat kasutavad paljud maailma juhtivad tuuma magnetresonantsi (TMR) laborid, et saada täpsemat infot tahkete ainete, sealhulgas biomolekulide kohta. Näiteks Zürichi ETH tehnikaülikooli füüsikalise keemia professor Beat Meier.
Uuenduslik kiirus
Sel aastal anti Eestis innovaatilise tooteni viinud väljapaistva teadus- ja arendustöö eest esmakordselt välja 500 000 krooni suurune riigi teaduspreemia. Selle võitsid keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi (KBFI) teadlased, kes on välja arendanud ülikiire proovirotatsiooni tehnika. Mida siis instituudi teadlased Ago Samoson, Tiit Tuherm, Jaan Past, Andres Reinhold ja Tiit Anupõld on teinud ning kuidas haakub nende kümneaastase töö tulemus teaduse ja igapäevaeluga?
Tuuma magnetresonants on aine uurimise meetod, mis põhineb asjaolul, et paljude tähtsate aatomite tuumad on tillukesed magnetid – kuna neil on spinninimeline omadus. Nagu keerlevad vurrikesed, püüavad need säilitada oma pöörlemistelje suunda. Kui seda suunda muuta, hakkavad nad ümber endise pöörlemistelje pretsesseerima ehk vänderdama. Nii juhtub, kui pista magnetiliste tuumade kogum tugevasse magnetvälja. Tuumade vänderdamise sagedus sõltub aatomitüübist ja magnetvälja tugevusest. See tähendab ümbrusest, milles tuum paikneb. Seda sagedust saab äärmiselt täpselt mõõta, rakendades teist magnetvälja ja otsides selle resonantsi ehk kaashelisemist vänderdamisega.
Nii saab TMR-spektritest välja lugeda molekuli ehitust ja käekäiku. “Tahke keha tuumaresonantsi mõõtmistehnoloogiad on arenenud päris hästi. Me oleme kujunemas rahvusvaheliseks keskuseks, millel on oma originaalne mõõtmisaparatuur,” ütleb Ago Samoson.
Kuid tugev magnetväli peab olema hästi ühtlane, ühtlasem, kui inimene teha oskab. Ebaühtlus udustab mõõtmise silmanägemist. Kuid on üks võimalus seda silmanägemist teravdada. Kui pööritada mõõdetava aine proovi magnetvälja suhtes kindla, nn maagilise nurga all. Siis laulavad kõik mõõdetava proovi molekulid ühes ja samas helistikus.
KBFI-s osatakse proovi pööritada hästi kiiresti. Tiit Tuhermi ja ta kolleegide jõupingutustega on praeguseks katsetingimustes saavutatud mõõdetava tillukese ainekoguse pööritamine kiirusega kuni 80 000 pööret sekundis.
Uuritavat ainet pööritatakse tugevas magnetväljas, nii tugevas, millist teist Eestis ei ole. Ja ei pööritata mitte lõbu pärast, vaid selleks, et kõige väiksemadki uuritava aine osakesed oleksid seadmele nähtavad.
“Lihtsa pööritamise eesmärgiks on kuubilise sümmeetria imiteerimine – liigutad magnetvälja piki kolme omavahel risti olevat telge,” selgitab Samoson. Teatud mikromaailma vastasmõjude puhul on sellest küllalt, et imiteerida sfäärilist sümmeetriat, mille tegelik eesmärk on sõeluda andmetest välja see, mis ei sõltu üldse mingist magnetvälja suunast, vaid on iseloomulik uuritavale objektile. “See info aine kohta on nagu inimese isikukood – tähtis pole elukoht ega see, kus ta parasjagu on, vaid inimesega seotud arv. Me filtreerime uuritavast infost välja aineomase parameetri.”
Eesmärgiks uus tehnoloogia
Kuid nii kiiresti pöörleva rootori ehitamine pole lihtne. Metalli kasutada ei saa, sest magnetväljas tekkivate voolude toimel see sulaks. Plast on liiga veniv. Alles jääb tehniline keraamika. “Rootorid töötavadki keraamika rebenemise piiril, sõltudes sellest, kui tihe on rootoris asuv uuritav aine,” selgitab Samoson. Rootori pinna joonkiirus jääb helikiirusele vaid 15 protsenti alla.
Rootor ei saa olla suur, rekordipüstitajad on vaid ühemillimeetrise läbimõõduga. Ja sellise sentimeetripikkuse silindrikese sees peab veel olema õõnsus, kuhu mahub 2–15 mikroliitrit ehk siis milliliitrist kuni 500 korda vähem uuritavat ainet.
Rootor pöörleb õhklaagritel ning seda pööritatakse suruõhu jõul. Eks rootoreid lähe katki ka, proovimisel iga kümnes. “Aga mõõdetavad ained, näiteks isotooprikastatud valgud, võivad olla hindamatud, nii et see tehnika peab väga usaldusväärselt töötama,” ütleb Samoson.
Lisaks tuleb täpselt kontrollida proovi temperatuuri, mis pöörlemisel hõõrdumise tõttu suureneb kergesti üle 50 kraadi.
Mehaaniline rootor pole seadme ainus oluline osa. Lisaks on vaja elektroonikat, mis kindlustab resonantsi jälgivate tugevate ja kõrgsageduslike impulssmagnetväljade tekitamise. Kasutatava voolu pinged ulatuvad 10 kilovoldini. Ja signaal, mis saab olema mikrovoltides, tuleb ju ka vastu võtta.
Eesmärgiks on nuuskida välja võimalikult täpset teavet molekulide omavaheliste seoste ja liikumiste kohta ning molekuli enda struktuuri ja atomaarse koostise kohta. Kui uuritav objekt on mitmekesine, siis eri molekulid võivad anda info väga ülekattuvalt, ja neid ei saa eristada.
Kuid mida siis ainest saadud infost teada tahetakse? Samoson selgitab: “Me tahame kütuseelemente arendada, me tahame mõista, kuidas valgud omavahel rakus vastasmõjus on ja kuidas seda vastasmõju muuta. Tahame teada, kuidas töötavad katalüsaatorid, tahame teada polümeeride omadusi – kas need on keemiliselt stabiilsed, optiliselt aktiivsed või mehaaniliselt tugevad. Tahaksime mõista spinnide kollektiivset käitumist, et rakendada seda paremate ülijuhtide tegemiseks või informatsiooni töötlemiseks.”
Mida edasi, seda täpsemat infot saadakse. “10–20 aasta eest tahtsime näiteks teada, kui palju on tseoliidis räni või alumiiniumi. Praegu tahame teada, kuidas alumiiniumiaatomid on omavahel paigutatud – kas juhuslikult või korrapäraselt.” Tseoliitidel on kasutus ka igapäevaelus – nimelt pesuvahendite ioonvahetajatena. Instituudi maailmakuulsate andurite abil on maailmas aga tehtud edusamme nii valkude kui ka kütuselementide, nii patareide kui ka katalüsaatorite arendamisel.
