Turun yliopiston tutkijat ovat jo pitkään tutkineet luonnonmineraali hackmaniitin värinvaihto-ominaisuuksia UV- ja röntgensäteilyn vaikutuksesta. Nyt tutkimusryhmä selvitti, miten synteettinen hackmaniitti reagoi radioaktiivisten aineiden säteilyyn. Tutkijat löysivät materiaalilta ainutlaatuisen ja uuden älykkään ominaisuuden, gammamuistin, jonka ansiosta hackmaniittia voidaan hyödyntää esimerkiksi säteilynilmaisimena.
Hackmaniitin ominaisuuksia selvittävä Älykkäiden materiaalien kemian tutkimusryhmä on tutkinut ainutlaatuista luonnonmineraali hackmaniittia ja sen ominaisuuksia jo pitkään. Tutkijat ovat kehittäneet tavan valmistaa synteettistä hackmaniittia ja luoneet lukuisia käytännön sovelluksia, joissa hyödynnetään materiaalin värinvaihto- ja loisteominaisuuksia. Parhaillaan tutkimusryhmä on esimerkiksi kehittämässä hackmaniittiin perustuvaa sähkötöntä UV-säteilymittaria, jota on tarkoitus testata kansainvälisellä ISS-avaruusasemalla. Säteilyaltistus voidaan avaruudessa määrittää seuraamalla UV-säteilyn aiheuttamaa hackmaniitin värjäytymistä valkoisesta pinkkiin.
Nyt tutkijat ovat selvittäneet myös, miten synteettinen hackmaniitti reagoi altistuessaan alfa-, beeta- ja gammasäteilylle. Tutkijat saivat selville, että hackmaniitti vaihtaa väriään näidenkin säteilytyyppien vaikutuksesta eli se on siis myös radiokrominen materiaali. Tätä ei ollut aikaisemmin tiedetty.
Säteilyn vaikutusta tutkittiin ruotsalaisten yhteistyökumppanien laboratoriossa Uumajassa, Säteilyturvakeskuksen laboratoriossa sekä Turun yliopiston Radiokemian laboratoriossa asettamalla hackmaniittilevyjä eri etäisyyksille säteilylähteistä eri mittaisiksi ajoiksi, jolloin ne saivat eri annoksen säteilyä.
– Sen jälkeen näytteet valokuvattiin ja niistä mitattiin reflektanssispektrit, joiden avulla saatiin tietoa näytteiden värin syvyydestä ja siitä, onko värjäytyminen samanlaista kuin esim. UV-valolla tai röntgenillä. Värin vaihto radioaktiivisten aineiden säteilyn vaikutuksesta oli hyvin samankaltaista kuin UV- ja röntgensäteilyn vaikutuksesta, mutta hitaampaa johtuen siitä, että suuri osuus tästä säteilystä menee materiaalista läpi vaikuttamatta siihen, kertoo väitöskirjatutkija Sami Vuori.
Hackmaniitin värjäytyminen on kaikilla säteilytyypeillä sama, joskin säteilyä saaneiden näytteiden spektreissä näkyi hienoinen eroavaisuus, mikä oli tutkijoiden mukaan ratkaiseva palanen uuden ominaisuuden löytämiselle.
Tutkijat löysivät uuden älykkään ominaisuuden – gammamuistin ansiosta hackmaniitista voidaan valmistaa myrkyttömiä säteilynilmaisimia
Tutkijat havaitsivat, että radioaktiivisten aineiden säteilyllä värjätyistä hackmaniiteista voidaan poistaa väri samalla tavalla kuin UV- tai röntgenvärjätyistä hackmaniiteista, eli lämmittämällä materiaalia tai altistamalla sitä valkoiselle valolle.
– Huomasimme, että hackmaniittiin jää kuitenkin muistijälki altistumisesta korkean energian säteilylle, kuten alfa- tai gammasäteilylle. Muistijälki siis pysyy, vaikka väri poistetaan. Sen saa näkyviin värjäämällä näytteen uudelleen UV-lampulla. Paljain silmin väri näyttää samalta kuin UV- tai röntgenaltistetun materiaalin, mutta spektrometri paljastaa pienen mutta selvän signaalin muodon muutoksen, tutkimusryhmän johtaja professori Mika Lastusaari sanoo.
Laskennallisten tulosten avulla tutkijat varmistuivat siitä, että hackmaniittiin syntyy radioaktiivisessa säteilytyksessä uudenlainen rakennevirhe. Tämä virhe toimii materiaalissa tietynlaisena muistiyksikkönä. Säteily ei siis hajota hackmaniittia, vaan sen avulla saadaan uusi älykäs toiminnallisuus, gammamuisti, jota ei ole tutkijoiden mukaan aikaisemmin havaittu missään muissa materiaaleissa. Gammamuistista ja rakennevirheestä huolimatta hackmaniitin yksi älykkäistä perusominaisuuksista eli uudelleenvärjättävyys säilyy aivan samanlaisena kuin ilman rakennevirhettäkin.
– Värjäytyminen radioaktiivisen aineen säteilyssä mahdollistaa sen, hackmaniiteista voidaan valmistaa radiokromisia filmejä, joita käytetään tavallisesti lääketieteellisen fysiikan sovelluksissa säteilyannosten selvityksessä sekä annosjakaumien kartoituksessa. Nykyiset radiokromiset filmit valmistetaan yleensä polydiasetyleeneistä tai leukomalakiittivihreästä, ja ne ovat joko kertakäyttöisiä tai myrkyllisiä. Hackmaniiteista saadaan myrkytön vaihtoehto, jota voi käyttää lukuisia kertoja. Lisäksi hackmaniitilla on muistiominaisuus, jota muilla ei ole. Hackmaniitti on myös ekologinen ja edullinen materiaali, jota on helppo valmistaa, kertoo Lastusaari.
Tutkimukseen osallistuivat Turun yliopiston Älykkäiden materiaalien kemian tutkimusryhmä, radiokemian tutkimusryhmä sekä fysiikan laitos, ja laskelmat tehtiin Lyonin yliopistossa (Université Claude Bernard Lyon 1). Lisäksi työhön osallistuivat Antwerpenin mineraloginen yhdistys, Tampereen ja Jyväskylän yliopistot, sekä Swedish Defence Research Agency.
Artikkeli julkaistiin arvostetussa Materials Horizons -lehdessä syyskuussa: https://doi.org/10.1039/D2MH00593J
