Leiutised, mis muutsid meie elu ja teadust
Tiit Kändler
01.01.2015

Kuigi jutuks tulevad tänavused Nobeli auhinnad anti välja füüsikas ja keemias, on need sisuliselt tehnikamaailma kuuluvad leiutised. Allpool näeme, mispärast.

Tänavuse Nobeli füüsikaauhinna pälvisid Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ja Shuji Nakamura sinist valgust kiirgava dioodi leiutamise eest. Keemiaauhinna teenisid Eric Betzig, Stefan W. Hell ja William E. Moerner superlahutusvõimega fluorestsentsmikroskoobi arendamise eest. Need avastused on tehtud vastavalt 1990. aastatel ja selle sajandi alguses.
Meie mobiiltelefonide, süle- ja tahvelarvutite, arvutimonitoride ja vedelkristallidest tabloode valgustus, aga ka suure mahutavusega heli- ja pildisalvestus või kahjulike mikroorganismide tapmine sõltub eranditult sinist valgust kiirgavatest valgusdioodidest. Lisaks võimaldab jaapanlaste leiutatud sinine LED-lamp koos ammu leiutatud rohelise ja punase lambiga anda valge värvusega valgust. Sellise lambi eluiga on väidetavalt 100 000 tundi – hõõglambi 1000 tunni vastu.
Meie rakkudes tegutsevate molekulide askeldamise tundmaõppimiseks läheb hädasti vaja kõrge lahutusvõimega mikroskoopi. Sellise võimega fluorestsentsmikroskoop võimaldab jälgida paremal juhul ka üksikuid molekule – kui neile fluorestseeruvad märgised külge panna või loomulikku fluorestsentsi kasutada. Nõnda saab selle mikroskoobiga saavutada senisest lahutusvõimest, mis küünib poole valguse lainepikkuseni ehk 200 nanomeetrini, suuremat lahutusvõimet ja jälgida ka nanomaailma osakesi.
Teaduse irooniana tuli füüsikapreemia saanutel tegeleda ülikeeruka keemilise kokakunstiga, keemiaauhinna laureaatidel aga omakorda kvantfüüsikaga.

Lambikesed, mis valgustavad arvutiekraane ja elutubasid
Valgusdioodid ehk ingliskeelse akronüümi LED (light-emitting diodes) all tuntud valgusallikad leiutati pooljuhttehnoloogiate sünniaastatel, 1950. ja 1960. aastatel mitmetes erinevates laborites. Erinevad dioodid kiirgasid valgust alates silmaga nähtamatust infrapunasest kuni lühema lainepikkusega roheliseni välja. Kui 1970. aastatel ehitasime Küberneetika Instituudi füüsika sektoris oma katseseadme tarbeks erilist kiiret arvutit footonite omavahelise korrelatsiooni mõõtmiseks ehk korrelomeetrit, kasutasime arvuti seisu silmaga nägemiseks indikaatorlampidena punaseid ja rohelisi valgusdioode. Siniseid polnud võtta – nende tulekut tuli oodata veel 20 aastat.
Vagusdiood on oma olemuselt pooljuhtseade, mis põhineb Albert Einsteini ja Max Plancki avastusel, et valgus kiirgub portsjonidena ning seda kiirgav aine neelab elektrone, mille energia muundub valguse energiaks. Esmalt tõestas Einstein küll vastupidise – et valguse neeldumine vabastab elektronid ja vallandab elektrivoolu.
Sinist valgust kiirgavate pooljuhtide loomine oli raske ülesanne, sest nõudis kvaliteetsete kristallide kasvatamist ja selliste pooljuhtide leidmist, millel oleks suur energianivoode vahe, sest sinise valguse footonid on punasest ja rohelisest suurema energiaga. 1980. aastate lõpul avastati, et lahendus võiks olla galliumnitriidis (GaN). Kuid tõhusate sinist valgust kiirgavate LED-valgusallikate saamiseks tuli toota erineva koostisega GaN-põhiseid sulameid ning integreerida neid heteroüleminekutega ja kvantaukudega mitmekihilistesse struktuuridesse.
Esimese elektriliselt loodud valguse manas tahkel kehal põhinevalt seadmelt esile firma Marconi Electronics töötaja, raadio leiutaja Gugliemo Marconi assistent Henry Joseph Round 1907. aastal. Ta rakendas pinge kahe karborundi (SiC) kristallil paikneva elektroodi vahele. Madalal pingel nähti kollast valgust, kõrgematel pingetel kiirgus enam värvusi. Elektroluminestsentsi uuris ka Nõukogude Liidu teadlane Oleg Losev, kes avaldas 1920. ja 1930. aastatel rahvusvahelistes ajakirjades rea artikleid karborundi elektroluminestsentsist. Tol ajal ei olnud veel teada tahkete materjalide elektronstruktuuri teooria.
1940. aastatel hakati mõistma pooljuhtide füüsikat ja p-n-siirdeid, mis päädis transistori leiutamisega Bell Telephone’i laboratooriumides. Selle eest said William Shockley, John Bardeen ja Walter House Brattain 1956. aastal Nobeli füüsikaauhinna.
Selgituseks p-n-siirde kohta: kui pooljuhtkristallis tekitatakse kaks erineva juhtivusega piirkonda – p-piirkond e aukjuhtivusega piirkond ning n-piirkond e elektronjuhtivusega piirkond, siis nende kokkupuuteala nimetatakse p-n-siirdeks.
Selgus, et p-n-üleminek võib ka valgust kiirata. 1951. aastal selgitasid Kurt Lehovec ja tema kaastöötajad USA firmast Signal Corps Engineering Laboratory karborundi elektroluminestsentsi kui elektronide ja aukude rekombinatsiooni kiirgust. Kuid footonite energia oli pisem kui SiC-energialõhe, mis viitas, et kiirgav rekombinatsioon toimub tänu lisanditele kristallvõre defektides.
Järgnevatel aastatel tõhustati galliumarseniidi (GaAs) p-n-siirdeid ning 1962. aastal avaldasid mitmed maailma juhtivad laborid – General Electric, IBM ja MIT Lincolns Laboratory – artikleid punasest laserkiirgusest galliumarseniidis vedela lämmastiku temperatuuril (77 K). Läks veel mõni aasta, kuni laserdioodid said laialdase kasutuse. Tänu heterostruktuuride arendamisele, mille eest said 2000. aasta Nobeli auhinna Zhores Alferov ja Herbert Kroemer, ja hilisemale kvantaukude arendamisele suudeti laserdioodid pidevalt kiirgama panna ka toatemperatuuril.
Esimeste, 1950. aastate eksperimentide järel toimus ka tõhusate LED-valgusallikate arendamine peamiselt kolme teadlasterühma poolt. Need olid Saksamaal Philips General Laboratory, Ühendkuningriigis Services Electronics Laboratory ja USAs Bell Telephony Laboratories. Neil olid erinevad eesmärgid alates kommunikatsioonist, valgustusest ja televisioonist kuni indikaatorlampideni elektroonika ja telefonide jaoks. Kasutades erinevaid lisandeid, nagu tsinkoksiid ja lämmastik erinevatel kontsentratsioonidel, genereeriti erinevaid lainepikkusi alates punasest kuni roheliseni. 1960. aastate lõpul valmistati punaseid ja rohelisi LED-valgusteid erinevates maades.
Sinise valguse kiirgamist oli palju raskem saavutada. Eesmärgini aitas jõuda galliumnitriid GaN. See on pooljuhtkristall, mida kasvatatakse safiiri või karborundi substraadil. Kui lisada sellele räni, saadakse n-tüüpi pooljuht; lisades magneesiumi, saadakse p-tüüpi pooljuht. Lisandid muudavad aga kristalli kasvu nõnda, et GaN muutub hapraks. Et õppida saama vajalikke kristalle, tuli õppida selgeks kõrgkeemia kokakunst. Eri laborid kasutasid erinevaid meetodeid – aktivaatoreid, substraate, aurustamist.
1970. aastatel leiti uusi kristallide kasvatamise tehnikaid, mida arendasid tänavused nobelistid eri laborites. Selgus, et lisanditega rikastamine läheb edukamalt, kui samal ajal kristalli elektronkiirtega kiiritada. 1990. aastate alguses leiutati sobivad ja tõhusalt sinist valgust kiirgavad heterosiiretega kristallid. Safiiralusele laotakse näiteks kuus õhukest, erinevate lisanditega rikastatud GaN kristallikihti.
Valged LED-valgustid olid käeulatuses. Need põhinevad sinisel valgusdioodil, mis ergastab fosforit, nõnda et sinine valgus muundatakse valgeks valguseks. Võib aga arvata, et selliseid fosfori kiirgamisel põhinevaid lampe asendavad kolmevärvilised LED-valgustid, mis võimaldavad muuta ja kontrollida värvilisust.
Kolm põhivärvust annavad omavahel segunedes kokku valge värvusena tajutava värvuse. Seda trikki saab jälgida värvikettal, millele on sektoritena kantud sinine, roheline ja punane värv. Kui sellist ketast kiirelt silme ees keerutada, siis tundub meile, et näeme värvusetut ketast, ehk siis valget värvi. Või vähemasti halli – sest värvained ei ole kunagi päris puhtad põhivärvid.
Meie silm registreerib eri värvusega valgused ja meie aju liidab need kokku, moodustades meie jaoks värvitoonide peaaegu lõputu hulga. Kolme põhivärvust liites saab aju vastuseks valge valguse.
Thomas Edisoni 1879. aastal leiutatud hõõglamp püsis ainuvalitsejana vaid kaks aastakümmet. Aastal 1900 leiutas P. Cooper Hewitt elevhõbedat sisaldava fluorestsentstoru. Kui hõõglamp annab vati kohta valgusvoo 16 luumenit ning muudab valguseks 4 protsenti kulunud elektrienergiast, siis pakub fluorestsentslamp ühe vati eest 70, LED aga tervelt 300 luumenit, muutes pool tarbitud elektrienergiast valguseks.
Sinise valgusdioodi leiutamine valgustas meie igapäevaelu hoopis teisel, alul harjumatuna ja kallina tunduval moel. Kuid tehnoloogia edenedes ja energia hinna tõustes pole suurt kahtlust, et LED-valgustusel võib ees oodata suurem tulevik kui säästupirnideks nimetatud fluorestsentsvalgustitel, millega oleme juba hakanud tasapisi leppima.

Piir, millest mindi üle
Enne mikroskoopi mikroorganisme ei olnud. Ei olnud tillukesi veetilgas elutsevaid loomakesi ega baktereid. Muidugi nad olid, kuid mitte inimese jaoks. Mikroskoop, Hollandi leiutis 1620. aastatest, mille läbi pudukaupmees Antonij van Leeuwenhoeck alul uuris kangaste kvaliteeti, aitas tal avastada bakterid, vereosised, mikroorganismid ja konna vereringe.
Miks mikroskoobi lääts valgust murrab, tuli tollal veel välja nuputada. Kuidas murrab, sellest kirjutas Isaac Newton oma 1709. aastal avaldatud ja kuulsaks saanud raamatus „Opticks”. Optikaseadusi avastati üha juurde, läätsed ja muud mikroskoobi osad valmistati üha täpsemad. Mikroskoobi mõõteklaasil nähti üha pisemaid osakesi. Kuni ühel hetkel tuli piir ette. Saksa optik Ernst Abbe avaldas 1873. aastal valemi, mis selgitas, miks. Mikroskoobi lahutusvõime on piiratud valguse lainepikkusega. Suurema osa 20. sajandist arvasid teadlased, et optilises mikroskoobis pole vastavalt Abbe valemile võimalik näha poolest valguse lainepikkusest pisemaid osakesi, ehk sinise valguse puhul pisemaid kui 200 nanomeetrit. Seda nimetatakse Abbe difraktsioonipiiriks.
See piir seisab siiamaani, kuid sellest on püütud eri teid pidi mööda minna. Elektronmikroskoobi leiutamisega viidi lahutusvõime tunduvalt suuremaks. Kuid see nõuab katseobjekti prepareerimist, mis tapab elusraku. Aatomjõumikroskoop suudab eristada molekule ja aatomeidki, kuid seda vaid tahke aine, eelistatult kristalli pinnal. Nõnda on elektronmikroskoopia ja aatomjõumikroskoopia pakkunud meile küll toreda sissevaate elutusse nanomaailma alates nanotorudest kuni grafeenini, teiselt poolt aga viiruste maailma, avades hindamatu võimaluse arendada uusi materjale ja võidelda nakkushaigustega.
Kuid see, mida biofüüsik vajab, on uurida suurte molekulide, nagu valgud, käitumist alul lahuses, seejärel rakkudes. Juba vähemalt 40 aastat on teada, et ühe sellise võimaluse pakub fluorestsents.
1970. aastatel arendati välja fluorestsentsi korrelatsioonspektroskoopia, mille jõudumööda edendamine oli ka minu ja mu kolleegide teadustöö aine TA Küberneetika Instituudi füüsika sektoris ja seejärel Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis. Idee on selles, et kinnitada lahuses suurtele molekulidele külge väikesed fluorestseeruvad molekulid, nagu rodopsiin, ning nõnda muuta nood lahust läbivas laserkiires jälgitavaks. Kui laserkiir väga kitsaks kimbuks fokusseerida, on selles ruumalas kiirgavaid molekule eriti vähe ja nõnda saab fluorestseeruva kiirguse footoneid loendades ja nende statistikat rehkendades teada nii nende liikumise kui andmed keemiliste reaktsioonide kohta.
Kuid laserkiire koondamisel on omad piirid, üks võimalus saada see väikesesse ruumalasse on sisepeegeldus prismalt. Kiir siseneb vedelikuga kokku puutuvast prisma suuremast küljest poole lainepikkuse võrra lahusesse ja nõnda eristub väike ruumala.
Tänavuse Nobeli keemiaauhinna laureaadid leidsid mooduse, kuidas kirjeldatud fluorestsentsspektroskoopiat edasi arendada. „Kuidas optilisest mikroskoopiast sai nanoskoopia” – nõnda pealkirjastas Rootsi Kuninglik Akadeemia pressiteate uuest mikroskoobist. Seda nimetatakse täpsemalt suure lahutusvõimega fluorestsentsmikroskoobiks. Tollal Saksamaalt tema avastuse suhtes skeptiliste teadlaste eest Turu Ülikooli reisinud Stefan Hell avaldas 1994. aastal artikli, milles ta kirjeldas oma ideed. Nipp on selles, et nanovälked libisevad nanomeetrise sammuga mööda katserakku. Valgusimpulss ergastab kõik kiires olevad fluorestseeruvad molekulid, teine valgusimpulss aga kustutab nn stimuleeritud kiirguse nähtust kasutades fluorestsentsi kõigil molekulidel, välja arvatud nanomeetri suurusjärgus ruumala vaatevälja keskel. Vaid seda ruumala registreeritakse. Laotades kiirt mööda katserakku ja pidevalt mõõtes fluorestsentskiirguse intensiivsust, on võimalik saada kujutis. Mida pisem on ruumala, seda teravam on kujutis. Tagasi Saksamaal, seekord Max Plancki Biofüüsikalise Keemia Instituudis Göttingenis, ehitas Hell aastaks 2000 oma mikroskoobi valmis.
Eric Betzig ja W.E. Moerner leiutasid teineteisest sõltumatult teisel printsiibil põhineva fluorestsentsmikroskoobi. IBMi teaduskeskuses Californias töötav Moerner jälgis 1989. aastal valguse neeldumist üheainsa molekuli poolt. Kui ühel meduusil avastati nn roheline fluorestseeruv valk, mille eest anti 2008. aasta Nobeli keemiaauhind, avastas Moerner, et ühe valgu variandi fluorestsentsi saab lülitada sisse ja välja. 488nanomeetrise valguse peale hakkas valk helenduma, kuid kustus veidi aja pärast. Valgus lainepikkusega 405 nanomeetrit äratas valgu jälle ellu. Moerner paigutas need molekulid geelile Abbe difraktsioonipiiri ületava vahemaaga. Ta sai tillukeste, sisse ja välja lülituvate „lampide” mustri. Oma tulemused avaldas ta ajakirjas Nature 1997. aastal.
Ka Belli laboratooriumides New Jerseys töötanud Betzig mõtiskles Abbe piiri ületamisest. 1995. aastal avaldas ta artikli erinevate värvustega, nagu roheline, kollane ja punane, fluorestseeruvate molekulide ükshaaval registreerimisest ja kolme kujutise üksteise peale liitmisest. Kui molekulid on üksteisest kaugusel veidi üle Abbe piiri, saadakse nõnda parem lahutus kui optilises mikroskoobis. 2005. aastal tuli Betzig mõttele, et fluorestseeruvaid valke saab kasutada mikroskoobi lahutuse suurendamiseks. Tuleb vaid üksteisele asetada mitte eri värvi molekulide kujutised, vaid eri ajal kiirgavate molekulide kujutised. Aasta pärast ehitas Betzig oma mikroskoobi valmis. Kinnitades raku ümbertöötlemisjaamale lüsosoomile helenduvad valgud ja ergastades üksteise järel erinevaid rühmi, sai ta kujutised, mida liites tekkis lüsosoomi membraani superlahutusega kujutis. Selle tulemuse avaldas teadlane ajakirjas Science 2006. aastal.
Nanoskoopi kasutatakse nüüdisajal eri laborites üle kogu maailma. Neid mikroskoope on üha täiustatud ja muudetud. Nobelistid ise on uurinud nii aju närvirakke, et paremini mõista sünapseid, kui valke seoses Huntingtoni tõvega.
Väärib tähelepanu, et tänavuse Nobeli füsioloogia- ja meditsiiniauhinna au said John O’Keefe, May-Britt Moser ja Edvard I. Moser aju positsioneerimissüsteemi avastamise eest. Kuid skeptikute meelest on aju positsioneerimissüsteem siiamaani lõpuni tundmata. Võib-olla aitavad seda paremini tundma õppida nanoskoopia uued võimalused.

Sarnased artiklid