Markku Kataja

Markku Kataja (s. 1956) on suomalainen fyysikko ja professori. Hän on toiminut Jyväskylän yliopistossa fysiikan professorina vuodesta 2006. Vuoden 2018 alussa hänet nimitettiin Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen johtajaksi toimikaudelle 2018–2021. Fyysikkona hänet tunnetaan varsinkin virtausdynamiikan tutkijana. Sen ohella hän on tutkinut teollisuusfysiikan sovelluksia ja kokeellista fysiikkaa.

Uran alku

Markku Kataja opiskeli fysiikkaa Turun yliopistossa ja valmistui sieltä maisteriksi. Hänen pro gradunsa käsitteli suuria yhtenäisteorioita. Katajan akateeminen ura käynnistyi varsinaisesti Jyväskylän yliopistossa vuonna 1984, kun professori Vesa Ruuskanen pestasi hänet jatko-opiskelijaksi työryhmäänsä. Ydinfysiikka oli pitkään merkittävin tutkimusala Jyväskylän yliopistossa, mutta sen rinnalle syntyi 1990-luvulla hiukkasfysiikan tutkimus. Professori Ruuskanen oli avannut Jyväskylässä uuden teoreettiseen fysiikkaan luettavan tutkimusalan, joka on suurienergiaisten raskaiden ionien törmäyksiin liittyvän fysiikan tutkimus. Ohjaajansa vaikutuksesta Kataja suuntautui itsekin aluksi hiukkasfysiikkaan ja raskaiden ionien törmäysten tutkimukseen. Hänen lisensiaattityönsä ja väitöskirjansa liittyivät toki näihin teemoihin, mutta niissä hahmottui jo hänen tuleva oma erikoisalansa hydrodynamiikka eli virtausopin tutkimus. Kataja oli valinnut hydrodynamiikan tutkimusalaksi professori Ruuskasen suosituksesta. Virtausopin tutkimusta tehtiin Jyväskylän yliopistossa 1980-luvulla tietokoneavusteisilla menetelmillä ja vuonna 1986 työtä helpotti se, että tietokonegrafiikka oli jo otettu käyttöön. Kuvia ei enää tarvinnut piirtää käsin. Katajasta kehittyi Jyväskylässä nopeasti taitava hydrodynaamisten mallien simulaatioiden koodien kirjoittaja. Katajan aloittama hydrodynamiikan tutkimus on jatkunut Jyväskylän yliopistossa myöhemminkin ja sitä ovat vuorollaan tehneet jo useat tohtoriopiskelijat.
Kataja valmistui Jyväskylän yliopistosta fysiikan alalta filosofian lisensiaatiksi vuonna 1986. Lisensiaattitutkimus (nimeltään Viskositeetti ja faasitransitio suurienergisten raskasionitörmäysten yksiulotteisessa hydrodynaamisessa mallissa) käsitteli raskasionitörmäyksien virtausominaisuuksia, kuten viskositeettia. Lisensiaattityö kuuluu virtausopin alaan, mutta se käsittelee olennaisesti myös hiukkasfysiikkaa. 
Tohtoriksi Kataja väitteli vuonna 1989 fysiikan alalta Jyväskylän yliopistossa. Hänen väitöskirjansa (Hydrodynamics in high-energy nuclear collisions, suom. Suurienergisten raskasionitörmäysten hydrodynamiikka) liittyy hydrodynamiikan alaan. Väitöskirjan ohjasi professori Vesa Ruuskanen. Väitöstutkimuksessaan Kataja laajensi jo lisensiaattitutkielmassa aloittamaansa tutkimusaihetta eli raskaionitörmäyksien hydrodynamiikan tarkastelua hiukkasfysiikan kontekstissa. Kataja viimeisteli Jyväskylässä aloittamansa väitöstutkimuksen Massachusettsin Teknillisessä Korkeakoulussa (MIT). Väitöskirjaprojektin aikana hän laati neljä tieteellisiä artikkeleita yhteistyössä ohjaajansa (Ruuskanen), professori Keijo Kajantien sekä amerikkalaisen Larry McLerranin kanssa. Artikkelit ilmestyivät sarjajulkaisuna vuonna 1986.

Professoriksi

Valmistumisen jälkeen Kataja on toiminut useissa tutkimus- ja opetusviroissa mm. Jyväskylän yliopistossa. Hänet nimitettiin huhtikuussa 2001 osa-aikaiseksi fysiikan professoriksi (teollisuusfysiikan professoriksi) viideksi vuodeksi (2001–2006) Jyväskylän yliopistoon erikoistumisalanaan virtausdynamiikka ja sen teolliset sovellukset. Kyseinen osa-aikainen professuuri oli yhteisprofessuuri Valtion Teknillisen tutkimuslaitoksen (VTT) kanssa. VTT:ssa Kataja työskenteli tutkimusprofessorin nimikkeellä. Professuurin alkaessa Kataja oli mukana professori Jussi Timosen johtamassa tutkimusryhmässä. Fysiikan laitos tutki professori Timosen johdolla huokoisia materiaaleja yhteistyössä Valmetin kanssa. Tutkimus on ollut osa Jyväskylän yliopiston harjoittamaa materiaalifysiikan tutkimusta.
Vakinaiseksi fysiikan professoriksi Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselle Kataja nimitettiin vuonna 2006. Hän aloitti toimessa huhtikuussa 2006. Professuurin alaksi määriteltiin virtausdynamiikka ja sen teolliset sovellukset. Uransa aikana professori Kataja on johtanut laajoja kansallisia tutkimusprojekteja. Niissä yhteistyökumppaneina on ollut mm. yrityksiä. Hän on lisäksi tehnyt tutkimusyhteistyötä useiden kotimaisten ja kansainvälisten tutkimuslaitosten kanssa.
Professorin toimensa ohella Kataja on toiminut erilaisissa hallinnollisissa tehtävissä tiedekunnassaan ja fysiikan laitoksella. Jyväskylän yliopiston matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaani Mikko Mönkkönen nimitti professori Katajan Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen johtajaksi. Hänen toimikautensa laitoksen johtajana alkoi vuoden 2018 alussa. Toimikausi kestää vuoden 2021 loppuun saakka. Laitosjohtajan ominaisuudessa professori Kataja osallistuu myös matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan hallintotyöhön tiedekuntaneuvostossa.

Tutkimustyö

Fyysikkona Kataja on erikoistunut kokeellisen fysiikan tutkimukseen, vaikka hän aloittikin uransa aikanaan teoreettisen fysiikan parissa. Professori Katajan erikoisalaa ovat varsinkin paperinvalmistusteknologian virtausilmiöt. Hän on tutkinut oman erikoisalansa virtausfysiikan ohella erilaisia käytännön sovellutuksia ja tehnyt teollisuusfysiikan tutkimusta. Teollisuusfysiikan pääalat Jyväskylän fysiikan laitoksella ovat olleet pehmeän ja epäjärjestyneen aineen fysiikka, monifaasivirtaukset sekä erilaisten teollisten prosessien mallinnus. 
Vuonna 2009 Kataja veti tutkimusryhmää, joka tutki ydinjätteen loppusijoituksen yhteydessä käytettävän bentoniittisaven ominaisuuksia. Tutkimuksessa sovellettiin fysiikan laitoksen tuolloin hankkimaa röntgennanotomografialaitteistoa. Nanotomografiaa voidaan aineentutkimuksen ohella hyödyntää solubiologian ja hyvinvointiteknologian alueella analysoitaessa mm. luun tai lääkeainekapseleiden rakennetta. Sen avulla voi tarkastella jopa yksittäisten solujen rakennetta. Ydinjätteen loppusijoitukseen liittyvässä hankkeessa bentoniittisavesta pyrittiin kehittämään ydinjätettä sisältävän kapselin ja peruskallion väliin eristävä kerros estämään radioaktiivisten aineiden kulkeutumista maaperään, jos kapseliin mahdollisesti tulee vuoto. Nanotomografiaa käytettiin apuna selvittämään bentoniittisaven rakenteen käyttäytymistä maaperän kosteuden muuttuessa. Professori Jussi Timosen mukaan nanotomografialaitteella voi tarkastella, miten materiaali paisuu, kun kosteus lisääntyy.  
Virtausfysiikan tutkimuksessa Kataja on erikoistunut kokeelliseen tutkimukseen. Vuonna 2017 käynnissä olleissa tutkimushankkeissaan professori Kataja työryhmineen on tarkastellut esimerkiksi kompleksisten nesteiden virtausta putkistoissa käyttäen mittauksissa erilaisia virtausnopeuksia. Kompleksiset aineet (esim. bentoniittisavi ja erilaiset komposiitit) ovat rakenteeltaan heterogeenisiä. Tyypillisesti ne ovat nestemäisessä faasissa olevaa kiintoainetta, jonka käyttäytymistä esimerkiksi virtauksessa on hankala ennustaa.

Selluloosan virtausominaisuudet

Professori Kataja on tutkinut myös mikrofibrilloituneen selluloosan (engl. micro-fibrillated cellulose, MFC) virtauskäyttäytymistä paperinvalmistusprosessissa. MFC-materiaaleja on 2000-luvulla tutkittu aktiivisesti, koska niitä voidaan käyttää erilaisten biopohjaisten materiaalien valmistukseen. Kataja työryhmineen on selvittänyt MFC:n ominaisuuksia virtauksen aikana. Mittauksessa kuidut asetettiin veteen ja sen jälkeen tutkittiin syntyneen seoksen virtausta suorassa putkessa. Tutkimuksessa käytettiin tähän tarkoitukseen kehitettyä uutta nopeusprofiileja soveltavaa reometristä mittausmenetelmää. Mittausmenetelmä perustuu siihen, että suorassa putkessa virtaavaa selluloosaa mitataan samanaikaisesti käyttäen kahta eri mittausmenetelmää: Dopplerin optista koherenssitomografiaa (engl. Doppler Optical Coherence Tomography, DOCT) ja ultraääninopeusprofilointia (engl. Ultrasound Velocity Profiling, UVP). Dopplerin optinen koherenssitomografia (DOCT) on mittausmenetelmä, jolla on mahdollista mitata reaaliaikaisesti niin kutsuttujen suspensioiden virtauksen nopeusprofiili ohuista kapillaareista häiritsemättä virtauksen kulkua. Menetelmän erotuskyky on tarkka. 
Sellukuidun mittausten tuloksista (DOCT ja UVP) laadittiin virtausnopeuden profiilimalli. Profiilimallissa on mittaustietoa sekä lähellä putken ulkoseinämää virranneesta materiaalista että syvemmällä lähempänä putken keskipistettä liikkuneesta aineksesta. Tutkimusryhmä selvitti mittausten avulla selluloosakuitukerrosten rajapintojen reologisia ominaisuuksia ja sitä, miten kuitujen rajapinta käyttäytyy virtauksen aikana.

Julkaisut ja patentit

ResearcGate-palvelun tietojen mukaan professori Kataja on julkaissut fysiikan alalta 75 tieteellistä artikkelia. Julkaisujen ohella Katajalla on nimissään myös kaksi paperinvalmistusteknologiaan liittyvää patenttia.