Tutkijat kutistivat vettä valon avulla – erikoinen ilmiö mitattiin ensi kertaa maailmassa

Aalto-yliopiston tutkija oli mukana kokeessa. Ilmiön tunteminen auttaa käyttämään pienen pieniä valopinsettejä yhä paremmin. Tulosta voidaan hyödyntää molekyylibiologiassa.

Havainnekuva siitä, miten laser etenee ohuessa vesikerroksessa. Punainen lasersäde mittaa tiheyttä. Veden molemmin puolin on lasia. Ääniaaltoja havainnollistavat keltaiset ja punaiset raidat.

26.4. 2:00

Aalto-yliopiston tutkijoiden avulla on onnistuttu ensi kertaa mittaamaan, miten valon voimat vaikuttavat aineen sisällä.

Atomit pakkautuvat valon vaikutuksesta lähemmäs toisiaan. Se saa aineen hieman pienenemään.

”Valon vaikutuksesta aine pienenee noin yhden miljoonasosan suuruusluokassa. Näinkin pieni tiivistyminen voi vaikuttaa esimerkiksi optisten mikrosysteemien toimintaan”, sanoo tutkimusta tehnyt Aalto-yliopiston tutkija Mikko Partanen. Hän oli osa tutkijoiden kansainvälistä ryhmää.

Tutkijat mittasivat laservalon aiheuttamia voimia ohuessa vesikerroksessa. Voimien vaikutus näkyi valon kulkusuuntaan nähden poikittaisesti.

He havaitsivat vedessä optisen ilmiön, joka on aiemmin tunnettu sähkökenttien yhteydessä. Sitä sanotaan elektrostriktioksi.

Nyt havaittu optinen elektrostriktio tarkoittaa, että materiaali pyrkii tiivistymään, kun se vuorovaikuttaa materiaalin läpi kulkevan valon kanssa.

Tutkimus laajentaa fysiikan Nobelilla vuonna 2018 palkitun Arthur Ashkinin tutkimusta. Hän kehitti optiset pinsetit jo 1970-luvulla. Niiden avulla hyvin pieniä ainehiukkasia voidaan käsitellä valon avulla.

Nyt tehty tutkimus auttaa ymmärtämään, miten valokentän energian tiheys muokkaa optisten pinsettien ainehiukkasten sisäistä jännitystä.

Optinen elektrostriktio auttaa hallitsemaan tämän aineen ominaisuuksia.

”Tulosta voidaan hyödyntää optisissa mikrosysteemeissä eri aloilla, esimerkiksi molekyylibiologiassa”, sanoo emeritusprofessori Jukka Tulkki.

Havaittu optinen elektrostriktio on sukua toiselle ilmiölle, jota kutsutaan magnetostriktioksi.

Siinä ulkoisen, hitaasti muuttuvan magneettikentän avulla voidaan muuttaa metallikappaleen muotoa tai sen kokoa.

On ilmeistä, että myös tälle ilmiölle on vastine optiikassa eli on optinen magnetostriktio. Se esiintyy magnetoituvissa aineissa.

Valon vaikutusta aineen tilavuuteen on tutkittu optiikassa teorian tasolla varsin paljon. Kokeita ei kuitenkaan ole juuri tehty. Myös teoriassa on vielä kehittämistä, sanoo Partanen.

Lue lisää: Vesi on arkista, hajutonta, väritöntä ja mautonta, mutta oikeasti sillä on ihmeellisiä ominaisuuksia.

Optiikka on valon tai käyttäytymistä ja ominaisuuksia sekä valon ja aineen vuorovaikutusta tutkiva fysiikan osa-alue.

Partanen työskenteli juuri tutkimuksen teorian parissa. Hän kävi myös Brasiliassa mittausten aikana.

Brasiliassa siksi, että tutkimusta johti brasilialaisen Estadual de Maringán yliopiston professori Nelson Astrath. Tutkimuksen kokeellinen osa on tehty siellä. Tutkimus julkaistiin tiedelehdessä Light: Science & Applications.

”Atomit pakkautuvat elektrostriktiossa lähemmäs toisiaan. Tällöin aine tiivistyy”, sanoo Partanen Aalto-yliopiston tiedotteessa.

Ilmiö on vastakkainen tutummalle lämpölaajenemiselle, joka toteutuu huoneenlämmössä. Se on seuraus säteilyn absorptiosta eli imeytymisestä.

Aineen tiivistymisen voi mitata sellaisissa aineissa, jotka imevät lämpöä vain hyvin vähän, kertoo Partanen.

Optisen elektrostriktion aiheuttama aineen tiivistyminen voidaan mitata vain sellaisissa aineissa, joissa absorboituvan valon energia on vähäistä.

Silloin myös aineen lämpeneminen on vähäistä, eli aine on hyvin läpinäkyvää.

Tutkijat halusivat minimoida valon imeytymistä eli absorptiota ja siitä seuraavaa veden lämpölaajenemista. Siksi kokeessa käytettiin erittäin puhdasta vettä.

”Jos vesi on epäpuhdasta, laser lämmittäisi vettä vain hetkellisesti ja saisi sen laajenemaan”, kertovat tutkijat Mauro Baesso ja Gabriel Flizikowski Estadual de Maringán yliopistosta Aalto-yliopiston tiedotteessa.

Valon voimia esimerkiksi veden sisällä ei ole aiemmin pystytty mittaamaan kokeellisesti. Mittaukset ovat rajoittuneet voimiin eri aineiden rajapinnoilla.

Mittaus onnistui aineen sisällä paremmin, kun tutkijat laittoivat vettä lasilevyjen väliin.

Näin veden pinta ei päässyt kaareutumaan, kun laser osui siihen.

Kun laservalo eteni vesikerroksen läpi lasilevyjen välissä, voitiin havaita valon etenemisen suuntaan nähden poikittaissuuntainen, optinen elektrostriktio-ilmiö.

Tutkimuksessa mitatun optisen kentän ja aineen vuorovaikutuksen tuntemus auttaa nanoteknologian eri sovelluksissa.

Nanotekniikoissa tutkitaan ainetta hyvin pienissä, alle metrin miljardisosan mitoissa.

Poikittaisen ilmiön lisäksi aineen sisällä on myös valon etenemisen suunnassa vaikuttavia optisia voimia. Niitä ei ole vielä saatu mitattua.

Seuraa ja lue artikkeliin liittyviä aiheita

Osaston uusimmat

Luitko jo nämä?

Osaston luetuimmat