Ihmeen tekijät

Hackmaniittia kutsutaan ihmeaineeksi. Väriä vaihtavaa ja pimeässä hohtavaa ainetta olisi mahdollista hyödyntää ainakin valaisimena, röntgenkuvauksessa ja uv-säteilymittarina ­– kenties monessa muussakin käyttötarkoituksessa. Materiaali on ympäristöystävällinen, edullinen, uudelleenkäytettävä ja helppo valmistaa. Silti hackmaniittia käytetään toistaiseksi vain koruissa ja niin sanottuna energiakivenä, jonka parantaviin ominaisuuksiin jotkut uskovat. Tuntuu kummalliselta, että näin poikkeuksellinen materiaali on suurelle yleisölle täysin tuntematon.

– Onhan se aika outoa, myöntää älykkäiden materiaalien kemian professori Mika Lastusaari, jonka tutkimusryhmä Turun yliopiston kemian laitoksella on tällä hetkellä ainoa maailmassa, joka tutkii hackmaniittia.

Lastusaari itsekään ei ole tutkinut ainetta kovin kauaa, sillä vielä kymmenen vuotta sitten hän ei ollut kuullut koko hackmaniitista. Hän törmäsi siihen sattumalta vuonna 2011 mineralogian konferenssissa Potsdamissa Saksassa, jossa osui kuuntelemaan ranskalaisen professorin luentoa. Professori mainitsi puheenvuorossaan mineraalin, joka vaihtaa väriä ja jonka väri saadaan palautettua ennalleen.

– Tein silloin tutkimusta pimeässä loistavien materiaalien parissa ja ajattelin, että mineraali muistuttaa toimintaperiaatteeltaan niitä. Tuli mieleen, että hackmaniitista voisi olla hyötyä tuon toisen tutkimuksen kannalta, Lastusaari kertoo.

Hänelle heräsi kiinnostus tutkia hackmaniittia, mutta aihe hautautui pariksi vuodeksi. Tutkimus käynnistyi vasta vuonna 2014, kun Lastusaari sai maisterivaiheen opiskelijan Isabella Pönkän avukseen.

– Ajattelin, että hackmaniittitutkimus olisi samalaista kuin aiemmat tutkimukseni siihen mennessä: tarkkaillaan materiaalia vähän ja siirrytään sitten eteenpäin. Tällä kertaa ei käynyt niin – hackmaniitissa riitti tutkittavaa, Pönkkä kommentoi.

"Kun tutkijat havaitsivat hackmaniitin jälkiloisteen, he tiesivät löytäneensä jotain, mitä ei ole ennen nähty."

Lastusaari ja Pönkkä lähtivät liikkeelle tutkimusartikkelista, jonka ranskalainen professori oli esitellyt Potsdamin konferenssissa. Kyseisessä artikkelissa brittiläinen kemian professori Mark T. Weller tutkimusryhmineen kuvaili reseptin, jolla hackmaniittia on mahdollista valmistaa synteettisesti. Lastusaari ja Pönkkä päättivät kokeilla valmistaa materiaalia itse.

– On harvinaista, että tutkimusartikkelissa kuvatun reseptin saa heti toimimaan. Meille kävi niin. Selvisi, että hackmaniittia on hyvin helppo valmistaa, Lastusaari kertoo.

Tutkijat tiesivät entuudestaan, että hackmaniitti vaihtaa väriä. He halusivat selvittää, saisivatko materiaalin loistamaan pimeässä. Muiden pimeässä loistavien materiaalien kanssa Lastusaari oli hyödyntänyt tähän tarkoitukseen lantanidi-ioneja, jotka seostetaan osaksi materiaalia. Hackmaniitilla menetelmä ei kuitenkaan tuottanut tulosta useista yrityksistä huolimatta.

Sitten tapahtui jotain yllättävää.

– Eivät nämä loista, totesi Pönkkä Lastusaarelle erään jälleen epäonnisen yrityksen päätteeksi. Lastusaari päätti todeta asian vielä omin silmin ja käveli käytävän päähän laboratoriotiloihin, jotka sijaitsivat silloisissa kemian laitoksen tiloissa Arcanum-rakennuksessa. Hän ei huomannut loistetta heti, sillä huone oli pimeä ja silmillä kesti hetken tottua hämärään. Pian hän erotti, kuinka synteettinen hackmaniittijauhe loisti pimeässä himmeää vaaleaa valoa.

– Yritimme saada hackmaniittia loistamaan vihreänä tai punaisena lantanidi-ionien avulla, mutta kävi ilmi, että hackmaniitissa itsessään oli vaalea jälkiloiste, joka loisti vielä UV-lampun sammuttamisen jälkeenkin. Emme huomanneet loistetta aiemmin, koska sen nousemiseen kului yllättävän pitkä aika. Yleensä loisteen nousuaika on jälkiloistavilla materiaaleilla muutaman sekunnin luokkaa, mutta hackmaniitilla siihen kului noin minuutti, Lastusaari kertoo.

Kun tutkijat havaitsivat hackmaniitin jälkiloisteen, he tiesivät löytäneensä jotain, mitä ei ole ennen nähty. He päättivät kehittää hackmaniitin pimeässä loistavaa ominaisuutta entistä paremmaksi.

Sami Vuori (vas.), Mika Lastusaari, Hannah Byron ja Isabella Pönkkä kemian laitoksen laboratoriossa.

Suomalaisittain hackmaniitin tausta on erityisen kiinnostava, sillä kivilajin löysi Kuolan niemimaalta suomalainen geologi Victor Hackman (1866–1941). Mineraali kantaa löytäjänsä nimeä. Kemistit ovat tutkineet hackmaniittia jo 1940- ja 50-luvuilla, jolloin he oppivat valmistamaan sitä synteettisesti. Sittemmin materiaalia on pääosin tutkinut vain aiemmin mainitun brittiläisen Wellerin työryhmä 1990- ja 2000-luvuilla. Heidän tutkimuksensa oli merkittävää perustutkimusta, johon ei liittynyt pyrkimystä keksiä hackmaniitille soveltavia käyttökohteita.

Lastusaaren tutkimusryhmän mielenkiinto sen sijaan kohdistuu nimenomaan materiaalin mahdollisiin sovelluskohteisiin. Heidän ansiostaan hackmaniitti kenties tunnetaan pian uskomattoman monikäyttöisenä ihmeaineena, ei vain väriä vaihtavana korukivenä.

"Lastusaaren tutkimusryhmän ansiosta hackmaniitti kenties tunnetaan pian uskomattoman monikäyttöisenä ihmeaineena, ei vain väriä vaihtavana korukivenä.”

Mutta palataan vielä hetkeksi tutkimuksen alkumetreille.

Hackmaniitin loistetta katsellessaan Lastusaari muisti, että oli törmännyt vastaavaan aiemminkin. Hänen mieleensä juolahti, voisiko materiaalissa olla mukana titaania. Wellerin reseptin mukaan hackmaniittia valmistaneet tutkijat eivät olleet lisänneet seokseen titaania, mutta päättivät kokeilla sitä nyt.

Vaikutus oli huima ja loiste parani selvästi. Kun tutkijat lisäsivät seokseen vielä litiumia, he saivat synteettisen hackmaniitin loistamaan pimeässä jopa seitsemän tunnin ajan. Saavutus oli merkittävä, muttei siltikään tarpeeksi siihen, että hackmaniittia voisi hyödyntää esimerkiksi poistumistieopasteissa.

– Pimeässä loistavissa opasteissa hyödynnetään yleensä vihreänä hehkuvia valaisimia, jotka loistavat 24 tunnin ajan. Valaisimien valmistuksessa käytetään strontiumaluminaattia, johon on seostettu europiumia ja dysprosiumia, joita on hyvin vaihtelevasti saatavilla maailmassa. Tietyillä alueilla kyseisiä metalleja on kohtalaisen paljon, ja näillä alueilla sijaitsevat maat voivat hallita markkinahintoja, Lastusaari kertoo.

Edullinen hackmaniitti todennäköisesti tasaisi markkinoita, jos tutkijat onnistuisivat nostamaan sen loisteajan samalle tasolle kuin strontiumaluminaatissa.

Isabella Pönkkä vastaa Pure Luminescence Technologies -yrityksessään hackmaniittiin pohjautuvien tuotteiden tuotekehityksestä.

Lastusaari haluaa näyttää, kuinka uv-säteily vaikuttaa hackmaniittiin. Olemme kemian laitoksen uusissa tiloissa modernissa Aurum-rakennuksessa ja astumme ikkunattomaan tutkimushuoneeseen. Pöydällä on erikokoisia kiviä luonnonhackmaniittia sekä synteettistä hackmaniittijauhetta pienessä astiassa. Sammutamme valot, jolloin huoneeseen tulee pilkkopimeää.

Suurikokoinen luonnonhackmaniitti hohtaa sinisenä ja oranssina, mikä näyttää ihmeelliseltä. Lastusaaren mukaan se ei kuitenkaan ole kovin ihmeellistä, sillä monet materiaalit hohtavat värejä uv-säteilyn vaikutuksesta. Kun Lastusaari sammuttaa uv-valon, pienempi hackmaniittikivi jää loistamaan vaaleaa valoa – tämä on professorin mukaan oikeasti poikkeuksellista. Hän näyttää myös, kuinka luonnonhackmaniitti ja synteettinen jauhe värjäytyvät ensin uv-valon vaikutuksesta pinkin värisiksi ja kuinka väri saadaan palautettua ennalleen vaaleaksi lämpölampun avulla.

– Hackmaniitti on poikkeuksellinen suhteessa muihin materiaaleihin, koska sillä on niin paljon ominaisuuksia. Se loistaa uv-valon vaikutuksesta, jää loistamaan valkoista jälkiloistetta ja vaihtaa väriä. Kolme ominaisuutta yhdessä materiaalissa, joka on vielä ympäristöystävällinen ja edullinen, Lastusaari toteaa.

Kun hackmanitin loiste oli löytynyt, kemistit keskittyivät tutkimaan sen kykyä vaihtaa väriä. Väitöskirjatutkija Hannah Byron on saanut hackmaniitin värjäytymään lähes minkä tahansa väriseksi.

– Pinkki, violetti ja sininen olivat tuttuja jo entuudestaan, mutta niiden lisäksi nykyään onnistuu keltainen, vihreä ja ruskea, Byron luettelee.

Hänelle on jäänyt erityisesti mieleen päivä, jolloin he löysivät keltaisen värin keväällä 2021. Byronin apuna tutkimusta tehnyt maisteriopiskelija Teppo Kreivilä tuli kysymään, näyttääkö uv-säteilylle altistunut hackmaniitti hieman keltaiselta. Keltainen vivahde oli niin heikko, ettei kumpikaan ollut varma näkemästään. Kreivilä tarkisti asian mittaamalla värinmuutoksen ja tulos osoitti, että hackmaniitti oli värjäytynyt keltaiseksi.

– Se oli yllätys, sillä emme olettaneet löytävämme keltaista väriä, Byron sanoo.

Synteettisesti valmistettu hackmaniitti on jauhetta, jonka ominaisuuksia on mahdollista kehittää luonnonmateriaalia paremmiksi.

Synteettisen hackmaniitin valmistamiseen tarvitaan natriumsulfaattia ja -kloridia sekä zeoliittia. Ainesosat jauhetaan huhmaretta muistuttavalla välineellä hienoksi jauhoksi, joka laitetaan pieneen astiaan, kuumennetaan 850 asteeseen ja annetaan jäähtyä. Hackmaniitin väriä voi muuttaa muokkaamalla reseptiä hieman tai sekoittamalla keskenään erivärisiä hackmaniitteja.

– Tutkiessani hackmaniittia opin, että se toimii vähän samaan tapaan kuin maali. Keltaista ja sinistä sekoittamalla onnistuin saamaan myös vihreää. Tällä menetelmällä on mahdollista toteuttaa lähes mitä tahansa värejä, Byron kertoo.

Parhaillaan Byron tutkii, mihin käyttötarkoituksiin eri värisiä ja väriä vaihtavia hackmaniitteja voisi hyödyntää. Yksi hänen ideoistaan on fotokromisen lasin korvaaminen hackmaniitilla.

– Minulla on itsellänikin silmälasit, joissa on auringossa tummuvat fotokromiset linssit. Tummuvissa linsseissä käytetään tavallisesti hopeaa, joka on huomattavasti kalliimpaa kuin hackmaniitti. Yritän muokata hackmaniitista materiaalia, jota voisi hyödyntää tummuvina linsseinä tai esimerkiksi älyikkunoina, jotka suojaavat auringolta väriä vaihtamalla, Byron sanoo.

Toinen Byronin kehittämä sovelluskohde on hackmaniitin hyödyntäminen uv-säteilymittarina. Tätä tehtävää varten hän on kehittänyt hackmaniittisekoitusta, joka kertoo väriä vaihtamalla, onko materiaali altistunut UVA-, UVB- vai UVC-säteilylle ja millainen annosmäärä säteilyä on tullut.

– Ihmiset voisivat käyttää auringossa esimerkiksi hackmaniitista valmistettua ranneketta, joka kertoisi heille, millaista säteilyä he ovat saaneet ja kuinka paljon.

Hannah Byron on saanut synteettisen hackmaniitin värjäytymään lähes minkä tahansa väriseksi. Kuvassa Byronilla on kädessään Kanadasta peräisin oleva luonnonhackmaniittikivi.

Kemistit toivovat, että hackmaniitti olisi tulevaisuudessa kaikille tuttu ja laajasti käytössä oleva materiaali. Globaalin hyvinvoinnin näkökulmasta merkittävin näköpiirissa oleva sovelluskohde olisi röntgenkuvantaminen, johon tutkijat ovat osoittaneet hackmaniitin soveltuvan.

Röntgenkuvantamisessa hackmaniitista valmistettua levyä voi hyödyntää kuvauslevynä, johon kuva muodostuu. Kuvan tuottamiseen ja analysoimiseen ei tarvita kalliita laitteita, toisin kuin nykyisin käytössä olevissa menetelmissä, vaan kuvan voi nähdä levyltä omin silmin ja tallentaa kameralla. Hackmaniittilevy ei ole kertakäyttöinen, vaan sitä voidaan käyttää yhä uudestaan kuvantamisessa. Vielä hienompi ominaisuus on se, että levy on täysin kierrätettävä.

– Röntgenkuvantaminen on tällä hetkellä niin kallista, että alle puolella maailman väestöstä on mahdollisuus päästä kuvauksiin. Jos saisimme hackmaniitin avulla edes osan kehittyvien maiden ihmisistä kuvantamisen piiriin, sillä olisi merkittävä vaikutus ihmisten hyvinvointiin. Röntgenkuvantamisella on tärkeä merkitys sairauksien seulonnassa, sillä noin 20–30 prosenttia sairauksista on sellaisia, jotka on mahdollista todentaa vain kuvantamisen avulla, Lastusaari kertoo.

Vielä toistaiseksi hackmaniittia ei ole mahdollista hyödyntää ihmisten röntgenkuvaamiseen, sillä materiaalin vaatima säteilyaika on liian pitkä. Tuotekehitys etenee kuitenkin jo hyvää vauhtia; Isabella Pönkkä perusti vuonna 2021 kahden yhteistyökumppaninsa kanssa yrityksen, joka valmistaa hackmaniittia yrityksille röntgenkuvantamisessa ja dosimetriassa hyödynnettäväksi.

Yritys Pure Luminescence Technologies syntyi Business Finlandin rahoittaman Lastusaaren tutkimusryhmän projektin myötä, kun Pönkkä kumppaneineen totesi, että markkinoilla on kysyntää hackmaniitin kaltaiselle luonnontuotteelle.

– Tällä hetkellä viimeistelemme tuotekehitystä ja oletuksena on, että myyntiä olisi jo noin vuoden päästä. Olemme olleet paljon yhteydessä asiakkaisiin ja he ovat olleet kiinnostuneita erityisesti materiaalin ympäristöystävällisyydestä ja muokattavuudesta. Välillä asiakkaat keksivät, että tuotetta voisi kokeilla jossakin laitteessa, jota emme ole itse tulleet lainkaan ajatelleeksi, Pönkkä kertoo.

Luonnonhackmaniitit ovat kiviä, jotka uv-säteily saa vaihtamaan väriä ja loistamaan.

Vuonna 2018 Lastusaari sai yhteydenoton Ruotsin puolustusvoimien tutkimuslaitokselta, jossa oli herännyt kiinnostus hackmaniittia kohtaan. Lastusaari ehdotti heille yhteistyötä, jossa tutkittaisiin radioaktiivisen säteilyn vaikutusta hackmaniittiin. Tutkimusta varten Lastusaari, Pönkkä ja väitöskirjatutkija Sami Vuori matkustivat Uumajaan, jossa säteilyn vaikutusta testattiin maan alla bunkkerimaisissa tiloissa.

– Meillä ei ollut kauheasti odotuksia ja tulokset olivatkin hyvin laihoja. Säteilyllä ei ollut juurikaan vaikutusta hackmaniitin värjäytymiseen, Vuori kertoo.

"Muistijälkeä ei tietääkseni ole millään muulla materiaalilla.”
– Mika Lastusaari

Joitakin kuukausia myöhemmin tutkijoille tuli tarve testata uudelleen gammasäteilyn vaikutusta hackmaniittiin. He testasivat näytteitä Säteilyturvakeskuksen tiloissa Suomen aktiivisimmalla säteilylaitteella.

– Vein hackmaniittinäytteet Helsinkiin STUK:in tiloihin ja asettelin ne testaustilaan viidelle eri etäisyydelle säteilylaitteesta. Näytteet saivat siellä säteilyä viikonlopun ajan. Kun maanantaina palasin katsomaan niitä, kaikki näytteet olivat värjäytyneet pinkeiksi; sitä tummemmiksi, mitä lähempänä laitetta ne olivat, Vuori kuvailee.

– Tutkimus osoitti, että hackmaniitilla on muistijälki, joka kertoo, että materiaali on altistunut säteilylle aiemmin. Tällaista ominaisuutta ei tietääkseni ole millään muulla materiaalilla. On edelleen mysteeri, miksi näytteet eivät värjäytyneet Uumajassa, Lastusaari toteaa.

Gamma- ja beetasäteilyä käytetään elintarvikkeiden säilyvyyden parantamisessa, joten säteilyn lajin ja määrän tunnistavaa hackmaniittia voisi hyödyntää esimerkiksi elintarvikkeiden säteilymittarina.

– Väriä vaihtavan hackmaniitin avulla olisi helppo havaita silmämääräisesti, milloin vaikkapa peruna tai sipuli on saanut sopivan määrän säteilyä, Vuori visioi.

Yhdessä tutkimusprojekteistaan Sami Vuori selvittää, olisiko hackmaniittia mahdollista käyttää filminä valokuvauksessa.

Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, hackmaniitin ominaisuuksia testataan seuraavaksi hyvin poikkeuksellisissa olosuhteissa – avaruudessa. Lastusaaren tutkimusryhmän kehittämät hackmaniittiin perustuvat säteilymittarit viedään kansainväliselle ISS-avaruusasemalle vuoden 2024 alkupuolella.

Euroopan avaruusjärjestö ESA:n rahoittamassa projektissa selvitetään, soveltuuko hackmaniitti havaitsemaan erilaisten materiaalien avaruudessa saamaa uv-säteilyä. Hackmaniitin on tarkoitus määrittää säteilyannokset passiivisesti ilman virrankulutusta.

– Tällä hetkellä avaruusasemalla käytetään säteilymittareita, jotka ovat sähkökäyttöisiä, kalliita ja hankalia asentaa. Tavoitteena on selvittää, voisiko hackmaniitti korvata nämä mittarit, Lastusaari kertoo.

Avaruusmatka ei vaadi hackmaniitin muokkaamista kestävämmäksi, sillä materiaali kestää hyvin sekä kuumaa että kylmää. Sen sijaan tutkijoiden tuli ratkaista, missä muodossa hackmaniitti viedään avaruuteen, koska jauheena sitä ei ole mahdollista hyödyntää. Ratkaisuksi valikoitui silikoniin seostettava hackmaniittilevy.

Kun hackmaniittinäytteet viedään avaruusasemalle, ne asetetaan aseman ulkopuolella oleville näytealustoille, jossa ne mittaavat säteilymääriä. Hackmaniitin saaman säteilyn määrä pystytään arvioimaan matkapuhelimen sovelluksella, joka kehitettiin yhdessä Turun yliopiston tietotekniikan laitoksen kanssa.

– Olen hyvin luottavainen sen suhteen, että hackmaniitti pärjää avaruudessa, Lastusaari toteaa.

Lastusaarta kuunnellessa käy selväksi, että hackmaniitista tullaan vielä kuulemaan tulevaisuudessa. Välillä puhe keskeytyy, ja hän toteaa, että haluaisi kertoa asiasta enemmän, mutta ei voi puhua kesken olevista tutkimuksista.

– Yksi iso juttu on tulossa tässä lähiaikoina, mutta siitä kerromme myöhemmin, Lastusaari toteaa.

 

Teksti: Jenni Valta
Kuvat: Hanna Oksanen

Artikkeli on julkaistu Aurora-lehdessä 2/2022.