Mallinnuksella kiinni asioiden olemukseen

Fysiikka tieteenä etsii luonnosta löytyviä lainalaisuuksia ja pyrkii testaamaan niitä kokeellisesti sekä kuvaamaan niitä matemaattisesti. Teoreettinen fysiikka keskittyy luonnon tapahtumien mallintamiseen käyttäen fyysikon tärkeintä työkalua – matematiikkaa.

Akatemiatutkija Perttu Lanton työssä pääosassa on ilmiöiden kuvaus laskennallisilla menetelmillä. Tutkimusryhmässään hän työskentelee dynaamisen NMR-mallinnuksen parissa, missä tarkoituksena on NMR-spektroskopian avulla selvittää aineen molekyylien perusrakenteita.

Dynaamisessa NMR-mallinnuksessa tarkastellaan erityisesti atomien liikkeiden vaikutusta mittaustuloksiin. Työ on hyvin haastavaa ja vaatii paljon enemmän laskentatehoja, kuin mihin kynä, paperi ja taskulaskin riittävät.

Mallintaminen auttaa ymmärtämään ilmiöitä.

Mallintamisessa kokeellinen tilanne, kuten NMR-mittaus, pyritään rakentamaan mahdollisimman tarkaksi matemaattiseksi malliksi. Menetelmässä on otettava huomioon kaikki koetilanteen elementit lämpöliikkeestä ja molekyylin ympäristöstä lähtien.

”Mallintamisella selitetään, mitä oikeastaan on tapahtunut. Joskus on tilanteita, joissa kokeessa on saatu oikea tulos, mutta syyt ovat epäselvät. Laskennallinen mallin tekeminen selvittää ja auttaa ymmärtämään koko prosessin”, Lantto selittää.

”Tutkimme oleellisesti elektronin ja ytimen välistä ylihienoa vuorovaikutusta, jota tapahtuu hyvin pienessä mittakaavassa. Tämän vuorovaikutuksen mallintaminen on erittäin haasteellista, sillä Einsteinin suhteellisuusteoreettiset ilmiöt joudutaan usein huomioimaan, mikä entisestään lisää laskentatyötä.”

Laskennallisen mallintamisen vaatimia laskutoimituksia varten hän ryhmineen käyttää CSC:n hallinnoimia Euroopan huippua olevia supertietokoneita. CPU-tunteja uusimmilta ”Sisu”-ja ”Taito”-tietokoneilta Lantto on varannut 1,5 miljoonaa. Määrä riittänee puolen vuoden käytölle.



CSC:n Sisu-supertietokoneen suorituskyky on Euroopan huippua, ja sitä käytetään vaativaan laskennalliseen mallintamiseen, esimerkiksi materiaalien NMR-parametreille.

Teoreettinen puoli kiinnosti jo nuorena

Lantto on ollut toden teolla kiinnostunut fysiikasta lukioajoista lähtien. Kiinnostuksen kohde löytyi nimenomaan teoreettiselta puolelta, ja opiskelupaikkaa etsittiin eri korkeakoulujen fysiikan laitoksia vertailemalla. Voittajaksi valikoitui Oulun yliopisto, joka sopi Tornion kasvatille mainiosti myös sijaintinsa puolesta.

”Itseäni ei oikein kiinnostanut laitteiden ja tekniikan kanssa värkkääminen, joten valitsin teoreettisen fysiikan pääaineekseni”, Lantto muistelee. Jo nuorempana hän oli mielellään lukenut, mietiskellyt ja kysellyt käytännön tekemisen sijaan.

”Toisaalta teoreettiseen fysiikkaan kuuluva laskennallisuus ei ole pelkkää puhdasta mietiskelyä vaan siihen kuuluu paljon kokeellisten mallien laatimista”, hän selittää. Opiskeluaikoihin kuului toki myös kokeellisen fysiikan kursseja, mutta into laboratoriotyöhön ei ollut yhtä suurta kuin koodien pyörittämiseen supertietokoneilla.

Kesätöistä se ajatus sitten lähti...

Opiskelujen jatkuessa Lantto piti ovet avoinna niin opettajakoulutukseen kuin teollisuuteen, mutta ensimmäisenä mielessä oli aina tutkijan ura. Toisen opiskeluvuoden kesänä hän päätti hakea fysiikan laitokselle kesätöihin ja pääsi tutkimusryhmään, jossa tehtiin sekä laskennallista että kokeellista NMR-tutkimusta.

”Professorini pyysi minua kokeilemaan kumpi kiinnostaisi ja päädyin laskennallisen fysiikan puolelle. Loppujen lopuksi tein samassa tutkimusryhmässä pro gradun ja väitöskirjan”, Lantto kertoo. Kokeilu kannatti, sillä tällä hetkellä Lantto on kuudetta vuotta akatemiatutkijana ja takana on tutkijan pestejä Oulun ja Helsingin yliopistojen välillä.

”Kyllähän tämä on viimeisen päälle mukavaa!” Lantto naurahtaa akatemiatutkijan arjesta. ”Saan tehdä sopivasti opetustyötä ja on varaa myös palkata tutkijakoulutettavia ryhmääni. Tutkijan vapaus on nyt maksimoitu”, hän jatkaa.

Saa olla kiinnostunut asioista

Tutkijan työssä Lanttoa kiehtoo nimenomaan vapaus tutkia ja olla kiinnostunut eri asioista. Ongelmanratkaisu ja perustutkimus ovat lähellä sydäntä, vaikka tieteen tekijöillä on yhä suurempi paine tehdä soveltavaa tutkimusta.

”NMR-mallinnus on materiaalifysiikan ilmiöiden tutkimusta ja sitä usein kohdennetaan tiettyjä tarkoituksia ja sovelluksia kohti. Kaikki lähtee kuitenkin aina perusilmiöiden selvittämisestä ja ymmärtämisestä”, hän muistuttaa.

Käytännön sovellusten pohtiminen ei ole perustutkimuksen tekijälle kaikkein mieluisinta puuhaa, mutta niitäkin löytyy Lanton työlle. ”Nanotekniset materiaalit tulevat yhä tärkeämmiksi eri aloilla, ja NMR-spektroskopialla voidaan saada entistä parempi ymmärrys esimerkiksi grafeenin käyttäytymisestä”, hän kertoo.

Grafeeni, eli hiilen kaksiulotteinen allotrooppinen muoto on yksi maailman kestävimmistä aineista, ja sen käyttömahdollisuudet ovat erittäin suuret. Useat uskovat, että grafeenin sähkönjohtavuus ja muut ominaisuudet syrjäyttävät piin käytön elektroniikkateollisuuden perusmateriaalina.

Yhdestä hiiliatomikerroksesta koostuva grafeeni on myös yksi maailman kalleimmista aineista ja sen tutkimiseen panostetaan suurilla summilla. ”NMR-spektroskopian mallinnuksella autetaan ymmärtämään nanomateriaaleihin liittyviä kvanttimekaanisia ilmiöitä. Oikean informaation saaminen on hyvin tärkeää, jotta materiaaleja voidaan tuottaa ja käyttää oikein”, Lantto selittää.

Muita sovelluksia löytyy esimerkiksi kaivannaisteollisuuden alalta, jossa NMR-mallinnus antaa ymmärryksen siitä, miten malmista saadaan tehokkaasti ja ympäristöystävällisesti irti harvinaisia maametalleja.

Monipuolista ja antoisaa työtä

Fyysikkona Lanttoa on aina kiinnostanut, mitä aineessa oikeasti tapahtuu perusfysiikan kannalta, ja mitä voidaan havaita spektreissä. Aineen rakenteiden ja perusteiden selvittäminen on kunnianhimoinen tehtävä, mutta Lantto nauttii työstään.



Kvanttikemiallisella mallinnuksella saatu ydinmagneto-optisen spekroskopian (nuclear magneto-optic spectroscopy, NMOS) NSOR-spektri retinaalimallille. Uusilla NMOS-tutkimusmenetelmillä saadaan vastaavaa mutta myös täysin uudenlaista informaatiota materiaalin ominaisuuksista kuin NMR-spektroskopialla.  

”Dynaaminen NMR-mallinnus on kuin kuuntelisi monenlaista musiikkia: pääsen tekemään ja kokeilemaan monipuolisesti erilaisia asioita ja pääsen halutessa myös lähelle kokeellista fysiikkaa”, hän kuvailee.

Kvanttimekaniikan ja nanomaailman ilmiöiden tutkiminen ja mallinnus ei tuone suoraan vastausta elämän tarkoitukseen, mutta oman kutsumuksensa Lantto on niiden parista onnistunut löytämään.

Teksti: Juho Karjalainen
Kuvat: Juho Karjalainen, Perttu Lantto, Heikki Soininen ja Anu Kantola