Ledin takana oleva teknologia valaisee, jäädyttää ja löytää jopa syöpäsolut

Japanissa syntynyt yhdysvaltalainen professori Shūji Nakamura sai vuonna 2006 Millennium-teknologiapalkinnon led-teknologian kehittämisestä. Hänen kehitystyönsä ansiosta monet ympärillämme olevat laitteet käyttävät sinistä, vihreää ja valkoista led-valoa sekä sinistä laservaloa. Sinisen led-valon keksiminen toi hänelle myös Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2014.

Pyry Kivisaari on työskennellyt osana väitöskirjatyötä Santa Barbaran yliopistossa Nakamuran tutkijaryhmässä. Hänellä on tuolta ajalta Nakamuran kanssa yhteinen julkaisukin. Nyt hän vie fotoniikan eli valotieteen tutkimusta eteenpäin Suomen Akatemian tutkijatohtorina Aalto-yliopistossa.

Fotoni on sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen. Näkyvä valo koostuu fotoneista, kuten kaikki muukin sähkömagneettinen säteily eli radioaallot, infrapuna- ja ultraviolettivalo sekä röntgen- ja gammasäteily.

”Tutkijanurallani on aina ollut kaksi peruspilaria”, Kivisaari kertoo.

”Ensimmäinen kuuluu perustutkimukseen. Tutkin valon ja aineen vuorovaikutuksen teorian ja mallinnuksen kehittämistä fotoniikkakomponenteissa.”

”Toinen on uusien teknologisten ratkaisujen tutkimus”, fotoniikkaa ja optoelektroniikkaa tutkiva Kivisaari sanoo.

Kivisaaren teoriamuistiinpanoja. Kuva: Pyry Kivisaari.

Sähkö muuttuu valoksi ja valo sähköksi

Optoelektroniikka tarkoittaa laajasti ottaen sähkövirran muuttamista valoksi ja toisinpäin elektronisissa laitteissa. Alan sovelluksia on kaikkialla ympärillämme.

Laseria käyttävät monet kodin elektroniikan laitteetkin. Teollisuudessa laserilla leikataan, hitsataan, pinnoitetaan ja tehdään paljon muutakin. Laseria käytetään myös etäisyyksien ja nopeuksien mittaamiseen, mihin ovat päässeet tutustumaan poliisilta ylinopeussakkoja saaneet.

Led-valoja taas ovat nykyään lähes kaikki uudet valot. Uudet televisiot ja näytöt toimivat usein led-tekniikalla. Elektroniikassa käytetään valtavasti led-komponentteja.

Aurinkokennot ovat vauhdilla nousemassa maailman tärkeimmäksi energiantuotantovälineeksi. Kansainvälisen energiajärjestön IEA:n mukaan neljän vuoden sisällä uusiutuvat energialähteet ohittavat hiilen maailman käytetyimpänä energialähteenä. Uudesta uusiutuvasta energiasta 60 prosenttia tuotetaan auringon avulla.

Vaikka käyttökohteet huimasti vaihtelevatkin, kaikki nämä ratkaisut ovat yllättävän samanlaisia perusperiaatteiltaan. Ledin toiminta perustuu elektroluminesenssiin. Siinä kiinteään aineeseen johdettu sähkövirta saa aineen säteilemään näkyvää valoa. Aurinkokennot perustuvat karkeasti ottaen samaan periaatteeseen, mutta toisin päin. Siinä aineeseen saapuvat fotonit saavat puolijohteesta tulemaan sähkövirtaa.

Tehdessään väitöskirjatutkimusta Shūji Nakamuran tutkimusryhmässä Santa Barbaran yliopistossa Kivisaari pääsi hyödyntämään alan parhaimpiin kuuluvia tutkimuslaitteita. Kuva: Thomas Malkowski.

Valo korvaa sähköä tehokkaasti

Uusia sovellusalueita tulee jatkuvasti lisää. Nyt sähköä ollaan yhä useammassa laitteessa korvaamassa osittain valon käytöllä. Kun aiemmin esimerkiksi tietoa on pääsääntöisesti siirretty sähköllä, tulevaisuudessa tieto siirtyy yhä useammin valolla.

”Sähköä käytettäessä meillä on valtavat häviöt verrattuna valon käyttöön”, Kivisaari perustelee valon tuottamaa tehonsäästöä.

Kivisaaren työpöytänäkymässä näkyy simulaation ajaminen ja laskettujen tulosten visualisointi. Kuva: Pyry Kivisaari.

Tällä hetkellä esimerkiksi noin 40 prosenttia kännykän virrankulutuksesta johtuu siitä, että sähkö kuljettaa tietoa laitteessa vaikkapa prosessorin ja muistin välillä. Jos kännykän sisällä tietoa ruvetaan siirtämään valolla, akun varassa toimivan laitteen virrankulutus voi laskea merkittävästi.

Paremman tehon takia valo on kuljettanut jo pitkään tietoa kuitukaapeleissa kaikkialla maailmassa. Ilman mantereita yhdistäviä valokaapeleita ja niihin liitettyjä optisia kuituvahvistimia internetin nykyinen valtava tiedonsiirtokapasiteetti tuskin olisi edes mahdollinen.

Tässä visualisoidaan ohutkalvoaurinkokennon sisällä tapahtuvaa optista energiansiirtoa, joka on ratkaistu numeerisesti Maxwellin yhtälöistä ja varauksenkuljettajien liikettä kuvaavista yhtälöistä. Kuva: Pyry Kivisaari.

Ledeillä voi jäähdyttää ja löytää syöpäsoluja

Uudet sovelluskohteet ovat koko ajan monipuolisempia. Ledit ovat paljon muutakin kuin vain yksinkertaisia sähkö-valo-muuntimia, sillä teoriassa ne pystyvät jatkuvaan muunnokseen sähkö-, lämpö- ja optisen energian välillä. Ledeillä voidaan periaatteessa siksi esimerkiksi jäähdyttää. Aalto-yliopistossa on viime vuosina tehty uraauurtavaa perustutkimusta näistä jäähdytysratkaisuista.

Alan tutkijat ovat nyt myös hyvin innoissaan siitä, miten valoa voitaisiin tulevaisuudessa käyttää ihmiskehon sisällä. Elimistöön voitaisiin esimerkiksi päästää geenimuokattuja soluja, jotka alkavat hohtaa hieman kiiltomatojen tapaan kohdatessaan syöpäsoluja. Uudet pienet, herkät anturit voisivat havaita heikon valon kehon sisältä. Näin nämä voisivat auttaa havaitsemaan syöpäsolut tarpeeksi aikaisin, jolloin hoidosta voisi saada suurimman hyödyn. Toisaalta laitteet voisivat löytää myös pieniä syövän esiintymiä, jotka ovat jääneet jäljelle hoidon jälkeen.

Kivisaari kiittää Suomen Akatemiaa tutkimustyönsä mahdollistamisesta. Tehtyään väitöskirjansa hän teki postdoc-tutkimustaan Lundin yliopiston nanotutkimuskeskuksessa. Nyt hän syventyy aiheeseensa kolmivuotisella Akatemian rahoituksella taas Aallossa.

”Tämä antaa mahdollisuuden viedä eteenpäin tutkimusta tavalla, joka voi mahdollistaa oman tutkimusryhmän perustamisen seuraavassa vaiheessa”, Kivisaari kertoo.

Teksti: Visa Noronen

Millennium-teknologiapalkinto on suomalainen, miljoonan euron arvoinen kunnianosoitus maailman huippuinnovaatioille, jotka parantavat ihmisten elämänlaatua ja edistävät kestävää kehitystä. Palkittavat teknologian innovaatiot ovat yhteiskunnallisesti erittäin vaikuttavia ja edistävät hyvinvointia jopa koko ihmiskunnan tasolla. Kansainvälinen Millennium-teknologiapalkinto jaetaan seuraavaksi 18. toukokuuta 2021.