Nanoscience Center
Nanotiedekeskus eli Nanoscience Center (NSC) on Jyväskylän yliopiston fysiikan, kemian ja bio- ja ympäristötieteiden laitosten yhteinen poikkitieteellinen tutkimuskeskus.
Nanotiedekeskus pyrkii tekemään kansainvälisesti merkittävää nanotieteen perustutkimusta. Nanokeskuksessa toimii 16 professoria ja noin 100 tutkijaa. Tutkimus tapahtuu poikkitieteellisesti: solu- ja molekyylibiologit, kemistit ja fyysikot työskentelevät samoissa tiloissa. Se edistää monitieteisten innovaatioiden syntymistä. Vuosittain tutkijat julkaisevat yli 100 vertaisarvioitua kansainvälistä tieteellistä artikkelia.
Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa voi opiskella erityisessä kandidaattiohjelmassa suuntautumisvaihtoehtona nanotiede. Kemian, biologian tai fysiikan pääaineopiskelijat voivat hakea opiskelemaan nanotieteitä opintojensa alkuvaiheessa. Opinnot suoritetaan solu- ja molekyylibiologian, kemian tai fysiikan nanotietieteiden koulutusohjelman mukaisesti, mutta opinnot sisältävät opintoja kaikista edellä mainituista tieteenhaaroista (fysiikka, kemia sekä solu- ja molekyylibiologia) ja lisäksi nanotieteen erikoiskursseja. Kandidaatintutkinnon jälkeen voi jatkaa nanotieteen opintoja kansainvälisessä maisteriohjelmassa. Jyväskylän yliopistossa voi nanotieteen alalla suorittaa myös tohtorin tutkinnon.
Tiedekeskuksessa on monipuolinen välineistö nanorakenteiden valmistamiseen ja karakterisointiin: puhdastila, häiriösuojatut mittaushuoneet, laserlaboratoriot sekä virus- ja soluviljelytiloja.
Nanotiedekeskus tekee sekä perustutkimusta että soveltavaa tutkimusta. Tutkimus jakautuu tieteenhaarojen mukaisesti fysiikan, kemian sekä solu- ja molekyylibiologian aloille. Tutkimusta tehdään paljon myös poikkitieteellisenä yhteistyönä, jolloin esimerkiksi biologit käyttävät apuna tutkimuksessa fysiikan ja kemian menetelmiä.
Nanotiedekeskuksen tutkimuksen keskeisiä aloja ovat:
Biologisen nanotieteen eli nanobiologian tärkeitä tutkimuskohteita ovat erilaiset biologiset nanorakenteet. Bio- ja ympäristötieteiden alalla nanotiedekeskuksessa on tutkittu esimerkiksi proteiineja. Huomion kohteena ovat olleet erilaiset proteiinirakenteet ja biologisten rakenteiden vuorovaikutukset. Perinteisesti proteiinitutkimus on perinteisesti jakautunut seuraaviin painopistealueisiin:
Biologisten rakenteiden tutkimuksessa käytetään apuna erilaisia biokuvantamismenetelmiä (mm. NMR-spektroskopiaa). Rakennetutkimuksen tärkeä tutkimuskohde ovat solut. Nanotiedekeskuksessa on tutkittu solujen rakennetta ja toimintaa, solujen tarttumista sekä solutukirangan toimintaa.
Solu- ja molekyylibiologit tutkivat laajalti myös viruksia. Virustutkimus kartoittaa virusten rakennetta ja sitä, miten virukset toimivat eläinsoluissa sekä virusten ja solujen keskinäistä vuorovaikutusta. Erityisenä tutkimuskysymyksenä on ollut se, miten virusten evoluutio etenee. Viruksista tutkimuslajina ovat olleet enterovirukset. Niiden avulla on tutkittu virusten aiheuttamia infektiopolkuja sekä erilaisia infektioihin liittyviä vuorovaikutusmekanismeja. Virusten ohella aiemmin tutkittiin bakteereja ja bakteriofageja. Soveltavan nanobiologisen tutkimuksen tavoitteena on ollut mm. kroonisten sairauksien mikrobisten taustatekijöiden selvittäminen.
Nanokemian tutkimuksen aloja ovat:
Nanorakenteiden spektroskopia ja valodynamiikka -tutkimusala jakautuu useisiin eri tutkimusteemoihin:
Plasmonien ja plasmoniikan tutkimus liittyy läheisesti nanoelektroniikan tutkimukseen. Tutkimus keskittyy molekyyleihin liittyvien plasmonisten ilmiöiden tarkasteluun. Jyväskylän yliopisto on pitkään tutkinut itsejärjestyviä DNA-rakenteita (niin kutsutut DNA-origamit), joista pyritään kehittämään erilaisia sähköisiä, optisia tai plasmonisia nanomittakaavan laitteita. Vahva kytkentä käsitteenä viittaa joko kahden pintaplasmonin väliseen kytkökseen tai tyhjiöfotonin ja molekyylien väliseen kytkentään, joissa tutkijoiden erityisen huomion kohteena on ollut vahvan kytkennän raja-alue. Toinen plasmoniikan tutkimuksen sovellus on esimerkiksi proteiinien fluoresenssiominaisuuksien parantaminen, jotta niitä on helpompi havaita biokuvantamismenetelmien avulla. Tutkimuksessa on tarkasteltu myös näiden proteiinien molekyylitason ilmiöitä. Nanotiedekeskus on lisäksi tutkinut grafeenin ja sähköä johtavien polymeerien optisia ja plasmonisia ominaisuuksia. Plasmoniikan tutkimusta on hyödynnetty myös aurinkoenergian tuottamisessa.
Kokeellinen nanofysiikka ja nanoteknologia on sekä perustutkimusta että soveltavaa tutkimusta. Perustutkimuksen tuloksia hyödynnetään soveltavassa tutkimuksessa, jonka keskeisiä alueita ovat:
Osa kokeellisen nanotieteen tutkimuksesta tapahtuu Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa.
Nanotiedekeskuksessa on soveltavan tutkimuksen ohella vahva teoreettisen nanotieteen tutkimusperinne. Teoreettisen nanotieteen aloja ovat:
Erilaisia nanorakenteita ja -materiaaleja tutkitaan teoreettisen tutkimuksen ohella erilaisten laskennallisten menetelmien ohella. Nanomateriaalien teoreettisen tutkimuksen erityisala on matalaulotteisten nanorakenteiden sähköisten ja mekaanisten ominaisuuksien tutkiminen tietokonemallinnuksen avulla. Toinen keskeinen ala on tiiviin aineen tutkimus. Tiiviin aineen teoreettinen tutkimus tarkastelee erilaisten materiaalien fysikaalisia ominaisuuksia eli sähköisiä, magneettisia, mekaanisia, termisiä, akustisia ja optisia ominaisuuksia. Näitä ominaisuuksia tutkitaan mm. erilaisten mallien avulla.
Nanotiedekeskuksen tieteellisenä johtajana on tammikuusta 2018 toiminut professori Tero Heikkilä. Nanotiedekeskuksen tieteellisen johtajan johdolla toimii tiedekeskuksen johtoryhmä. Vuonna 2018 johtoryhmä koostui tieteellisen johtajan ohella kuudesta professorista. Johtoryhmä valvoo ja kehittää nanotiedekeskuksen toimintaa, opetusta ja tutkimusta sekä vastaa toiminnan tuloksellisuudesta ja tavoitteiden saavuttamisesta. Johtoryhmää avustaa tieteellinen neuvonantajaryhmä, joka koostuu kansainvälisistä tieteellisistä asiantuntijoista.
Nanotieteen tutkimuksen alkamisen eräs alkusysäys oli, kun Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella laitettiin vuonna 1990 hakuun soveltavan fysiikan professorin virka. Fysiikan laitoksen johtajana vuosina 1988–1990 toiminut professori Vesa Ruuskanen esitti, että tulevan professuurin ala jätettiin aluksi avoimeksi. Laitoksen tavoitteena oli löytää sellainen uusi fysiikan ala, josta olisi mahdollista löytää pitkäaikaisia sovelluksia ja joka sopisi osaksi Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen tutkimusta. Siihen asti tutkimustoiminta laitoksella oli keskittynyt vahvasti syklotronin avulla tehtävän kiihdytinpohjaisen fysiikan tutkimukseen ja toinen vahva tutkimusala oli ydinfysiikan tutkimus. Soveltavan fysiikan professuuriin nimitettiin kesällä 1992 Mikko Paalanen. Hänen mukanaan Jyväskylään tuli nanoelektroniikan tutkimus. Paalanen oli erikoistunut varsinkin matalien lämpötilojen fysiikkaan ja hyvin pienten rakenteiden sähkönjohtavuuden sekä mesoskooppisten ilmiöiden tutkimiseen. Jyväskylän yliopisto oli Suomen ensimmäinen yliopisto, jossa tutkittiin nanoelektroniikkaa.
Paalasen ohella ensimmäisiä nanotieteeseen erikoistuneita tutkijoita Jyväskylän yliopistossa 1990-luvulla oli professori Jukka Pekola, jonka Paalanen houkutteli Jyväskylään Yhdysvalloista. Pekola opetti Jyväskylän yliopistossa fysiikan tieteellisiä ja teknologisia sovelluksia. Jukka Pekola nimitettiin vuonna 1995 fysiikan apulaisprofessoriksi. Kun Mikko Paalanen siirtyi vuonna 1995 Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratorion johtajaksi, jäi nanofysiikan tutkimuksen jatkaminen Pekolan vastuulle. Pekola nimitettiin sittemmin vuonna 1997 nanotekniikan professoriksi. Hän jatkoi tehtävässä vuoteen 2001 asti, jolloin hän siirtyi akatemiaprofessoriksi Ranskaan.
Aluksi (1992) nanofysiikan tutkimus oli haasteellista, koska Suomessa ei kukaan ollut vielä siihen aikaan tehnyt kokeellisen nanofysiikan tutkimusta. Tutkijat rakensivat laboratorion itse ja hankkivat sinne tutkimuslaitteistot, joita olivat mm. elektronimikroskooppi ja metallointihöyrystin. Pekola toi mukanaan itse kehittämänsä kryostaatin, jolla tutkimusnäytteet voitiin jäähdyttää alle -273 celsiusasteeseen. Toimintaedellytykset paranivat, kun fysiikan laitos sai vuonna 1995 uuden laitosrakennuksen, jossa oli mm. nanofyysikoiden tarvitsemat puhdastilat sekä häiriösuojattuja huoneita. Nanofysiikan tutkimus laajeni varsinkin sen jälkeen, kun Jukka Pekola nimitettiin professoriksi (1997). Hänen jättäessään Jyväskylän vuonna 2001 nanofysiikan tutkijoita oli jo yli 20.
Biotieteiden puolella kehitys kohti bio- ja ympäristötieteiden laitoksella 2000-luvulla tehtyä nanotieteellistä solu- ja molekyylibiologian tutkimusta oli alkanut Jyväskylän yliopistossa jo 1970-luvulla. Biologian laitoksella toimi vuosina 1971–1994 professorina Antti Arstila, joka opetti solubiologiaa. Hänen aikanaan solubiologian tutkimus laitoksella vakiintui. Laitoksen tutkimus vahvistui, kun Jyväskylään nimitettiin vuonna 1988 määräaikaiseen professuuriin Markku Kulomaa, jonka erikoisalaa tutkijana oli molekyylibiologia. Kulomaa nimitettiin vuonna 1994 molekyylibiologian professoriksi Jyväskylän yliopistoon. Nanotieteisiin liittyvää biotieteellistä tutkimusta 1990-luvulta alkaen tekivät Kulomaan ohella professorit Matti Vuento, Jyrki Heino ja Christian Oker-Blom.
Kemian laitoksella nanokemian vakiintuminen laitoksen tutkimuksen vahvaksi alueeksi tapahtui lähinnä akatemiaprofessori Kari Rissasen johdolla vuodesta 1995 alkaen, kun supramolekulaarinen kemia ja yleisemmin nanorakenteiden kemiallisia ominaisuuksia tutkiva nanokemia asetettiin orgaanisen kemian tutkimuksen pääalaksi. Laitoksella kyseistä tutkimusta vuonna 1995 teki jo yli 20 tutkijaa.
Alkuvuosina nanotieteellinen tutkimustoiminta oli suppeaa ja hajanaista, koska sillä ei ollut käytettävissä omia tiloja, vaan tutkijat toimivat hajallaan kemian ja fysiikan laitosten tiloissa. Solu- ja molekyylibiologit työskentelivät bio- ja ympäristötieteiden laitoksella. Matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaani Matti Mannisen visiona oli luoda Jyväskylään nanoteknologiaan erikoistunut huippututkimusyksikkö. Alussa ei kukaan edes uskaltanut haaveilla, että nanotieteen tutkimus saisi oman rakennuksen. Nanotieteellisen tutkimuksen kehittäminen sai järjestelmällisen muodon, kun Jyväskylän yliopistossa aloitettiin Nano Science -hanke. Sen organisoiminen käynnistyi toukokuussa 2001 professori Mannisen johdolla. Hankkeen johtajana vuosina 2001–2002 toimi professori Henrik Kunttu. Alun jälkeen hanke edistyi nopeasti. Professori Pekola ehdotti jo vuonna 2001 oman rakennuksen rakennuttamista nanotiedekeskukselle. Hanketta koordinoiva työryhmä alkoi valmistella ideaa. Tammikuussa 2002 valmistelutyöryhmä jätti rehtori Aino Salliselle suunnitelman nanotiedekeskuksen rakennuksen pystyttämiseksi. Rakennuksen piirustukset laati arkkitehti Arto Sipinen. Yliopiston puolelta tilojen suunnittelussa avusti professori Markku Kulomaa. Nanotiedekeskuksen laitosrakennuksen rakennustyöt aloitettiin huhtikuussa 2003 ja rakennus ("nanotalo") oli valmiina elokuussa 2004. Rakennuksen valmistumisen jälkeen tiedekeskus sai käyttöönsä mm. riittävät puhdastilat.
Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskus perustettiin virallisesti maaliskuussa 2002, kun yliopiston rehtori Aino Sallinen allekirjoitti perustamissopimuksen. Samana vuonna Jyväskylän yliopistossa alkoi nanotieteen koulutus. Nanotiedekeskuksen ensimmäisenä nanotieteiden professorina toimi 2002–2009 Jorma Virtanen. Nanotiedeprojektin alkuvaiheen keskeinen vaikuttaja Jukka Pekola nimitettiin vuonna 2001 akatemiaprofessoriksi ja hän siirtyi samalla pois Jyväskylästä. Pekolan jälkeen nanotieteen kehittämistä ja nanotiedekeskuksen perustamista koordinoi muun muassa fysiikan professori Päivi Törmä, joka nimitettiin syksyllä 2001 nanoelektroniikan professoriksi. Törmä toimi 2003–2005 nanotiedekeskuksen ensimmäisenä johtajana. Törmän johtajakaudella nanotiedekeskukseen hankittiin merkittävä osa sen tutkimuslaitteista ja infrastruktuurista. Laitteistoa hankittiin EU:n aluekehittämisrahaston ja Suomen Akatemian myöntämällä rahoituksella. Nanotieteen tutkimuksen ja koulutuksen kehitystä tuki ministerikaudellaan 2003–2007 tuolloinen kauppa- ja teollisuusministeri Mauri Pekkarinen.
Biologisen nanotieteen tutkimus keskittyi tiedekeskuksen toiminnan alkuvuosina muutamien teemojen ympärille. Keskeinen ala oli proteiinien tutkimus. Professori Markku Kulomaa tutki avidiinia ja professori Jyrki Heinon tutkimuskohteena oli integriini. Toinen pääala oli virusten tutkimus. Professori Matti Vuento tutki parvovirusta ja professori Christian Oker-Blom käytti tutkimuksessaan bakulovirusta. Vuosituhannen alkuvuosina Heino ja Kulomaa siirtyivät pois Jyväskylästä ja Oker-Blom kuoli. Biotieteiden keskeisten hahmojen poistuminen johti siihen, että nanotiedekeskuksessa työskentelevien biologien määrä oli toivottua vähäisempi muutamina vuoden 2005 jälkeisinä vuosina. Vuoden 2005 jälkeen tutkimus suuntautui pääasiassa rakenne- ja virustutkimukseen. Viruksista tutkittiin edelleen mm. parvoviruksia ja uutena teemana pikornaviruksia. Professori Jari Ylänne on tutkinut solutukirangan rakennetta ja sen proteiineja. Bakteereja infektoivia bakteriofaageja tutki professori Jaana Bamford, mutta tutkimus jäi kesken hänen kuoltuaan äkillisesti toukokuussa 2016.
Fysiikan tutkimus oli aluksi nanoelektroniikan tutkimusta. Sittemmin se on laajentunut molekyylielektroniikan ja plasmoniikan tutkimukseksi. Nanofysiikan alalla fyysikot alkoivat jo varhain tutkia deoksiribonukleonihapon eli DNA:n soveltamista nanoteknologiassa. DNA-tutkimus alkoi professori Päivi Törmän johdolla vuonna 2003. Professori Törmän siirryttyä Teknilliseen korkeakouluun vuonna 2005 dosentti Jussi Toppari perusti plasmoniikan ja molekyylielektroniikan tutkimukseen erikoistuneen tutkimusryhmän. Ryhmä jatkoi Törmän aloittamaa tutkimusta ja teki DNA-rakenteille erilaisia sähköisiä mittauksia.
Kemian alalla professori Kari Rissasen työryhmä on tutkinut supramolekulaarisen kemian kysymyksiä. Tutkijoiden päähuomio on kohdistunut heikkoihin ei-kovalenttisiin vuorovaikutuksiin eli toiselta nimeltään supramolekulaarisiin vuorovaikutuksiin. Ryhmän työn tuloksena on syntynyt mm. tetraedrin muotoinen molekyyli, joka sulkee sisäänsä vaarallista itsestään syttyvää valkoista fosforia.
Päivi Törmän jälkeen nanotiedekeskuksen johtajina toimivat professorit Jouko Korppi-Tommola (2005–2007 ja 2010–2011) ja Matti Manninen (2007–2009).
Tammikuussa 2012 nanotiedekeskuksen johtajaksi nimitettiin professori Hannu Häkkinen. Hänen toimikaudellaan keskuksen hallintoa ja tutkimustoimintaa kehitettiin voimakkaasti. Jo ensi töikseen hän aloitti laitoksen hallinnon uudistamisen. Hän kutsui johtajan avuksi kansainvälisen neuvonantajatyöryhmän, joka koostuu eri alojen tunnetuista ulkomaisista tieteilijöistä. Neuvonantajaryhmä arvioi tiedekeskuksen toimintaa ja suorittaa tiedekeskukseen tapahtuvan arviointivierailun joka toinen vuosi. Ryhmä teki arviointivierailun mm. huhtikuussa 2017.
Tutkimustoiminnan puolella professori Häkkinen painotti johtajana tieteiden välistä yhteistyötä. Kansainvälinen arviointityöryhmä oli arviossaan päätynyt siihen, että keskeisten tutkimusalojen kohdalla oli löydettävä yhteinen suunta, jota kohti toimintaa ohjataan. Sen ohella tiedekeskuksessa päätettiin panostaa tiettyihin tutkimuksen painopistealoihin. Johtajana Häkkinen pyrki luotsaamaan organisaation toimintaa näitä päämääriä kohti. Matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan silloinen dekaani Henrik Kunttu arvioi vuonna 2014, että professori Häkkinen oli onnistunut lisäämään tutkijoiden keskinäistä yhteistyötä ja muodostanut näistä tiiviin tutkimuskonsortion. Esimerkiksi biotieteiden tutkimusta lähensi kemian tutkimukseen Janne Ihalaisen nimittäminen nanotieteiden professoriksi vuonna 2013, sillä Ihalainen on taustaltaan sekä biologi että kemisti.
Tutkimustoiminnasta on dekaani Kuntun mukaan saatu aikaan hyviä tuloksia. Kemistit, biologit ja fyysikot ovat tehneet yhdessä poikkitieteellistä tutkimusta. Tutkimustyön avulla on kehitetty esimerkiksi biokuvantamismenetelmä, jonka avulla viruksia voitiin tarkastella elektronimikroskoopilla, kun niiden pintaan kiinnitetään kultahiukkanen. Vuosina 2010–2011 kemistit ja fyysikot tutkivat aluksi kultananopartikkelien rakennetta sekä kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia. Perustutkimuksen avulla löydettiin sopiva tapa, jolla 1–3 nanometrin kokoinen kultahiukkanen voitiin kiinnittää viruksen pintaan kemiallisten sidosten avulla.
Hannu Häkkisen toimikausi tiedekeskuksen johtajana päättyi vuoden 2017 lopussa. Uudeksi tieteelliseksi johtajaksi Jyväskylän yliopiston matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaani Mikko Mönkkönen nimitti professori Tero Heikkilän ja tämä aloitti tehtävässään tammikuussa 2018.