Keemikust valgusevõlur

Marek Strandberg

Kui Richard Feynman üle poole sajandi tagasi osutas, et on olemas täiesti uus uurimata valdkond – nanomeetri mõõdus osadega materjalid ja koguni masinad –, siis üks, kes sellest mõttest innustust sai, oli Geoffrey Ozin, Suurbritannias hariduse saanud ja Kanadas töötav keemik. Tänapäeval nii paljudel juhtudel eesliiteis kõlav „nano” on aga alguse saanud palju varem. 1970. aastatel tegeles Geoffrey Ozin näiteks katalüsaatorite loomisega, mida nüüd kindla peale nanotehnoloogilisteks kutsutakse. Loodus on tegelikult nanomõõdus materjale pilgeni täis. Liblikatiibade värv tekib valguse ja nanomeetrite mõõdus kitiinliistakate omavahelises mõjus.

Mille poolest siis nanotükk ja mikro- või makrotükk erinevad? Mikro- ja makrotükkidel on enamik osakesi aine sees ja väike osa pinna peal. Nanoosakesed on sedavõrd väikesed, et enamik aatomeid või molekule, millest nanoosake koosneb, moodustavadki selle pinna. 5–6 viinamarja puhul on kõik need viinamarjad selle kobara pinnaks, suuremas kobaras jääb osa viinamarju pinnalt eemale – see oleks igapäevaselgitus nanomaterjalide kohta.

Oma tähelepanuväärsete tööde eest nanokeemia ja fotooniliste materjalide valdkonnas sai Geoffrey Ozin 2011. aasta Einsteini preemia, mida annab välja Maailma Kultuurinõukogu. Preemia anti sedapuhku üle Tartus ja üleandjaks oli 1992. aasta Nobeli meditsiinipreemia laureaat, biokeemik Edmond Fisher.

Kuidas jõudsite nanomaterjalide temaatika juurde?

Geoffrey Ozin: Tänapäeval on nanomaterjale kasutuses küllalt palju. Arvan, et olin üks esimesi keemikuid, kes hakkas rääkima kvantmõõtmest ehk siis tänapäeva mõttes nanomõõtmest. Mida minu eestvedamisel tehti, olid hõbeda-aatomitest dimeerid, trimeerid, tetrameerid (kahe-, kolme-, nelja- ja enamaatomilise hõbeda ühendid). Neil puhkudel ei kasutanud me ligande, molekule, mis hõbeda aatomeid paigas hoiaksid, vaid valmistasime need struktuurid vaid hõbedast. Ligandivabalt. See oli 1970. aastatel. Uurisime nende ühendite omadusi ja selleks tuli luua ka uusi mõõtmisseadmeid. Seda ka tegime. Toona oli naftakriisiaeg ja kuna tegemist oli huvipakkuvate katalüsaatorimaterjalidega, siis leidsime ettevõttele, kes sellega tegeles, hõlpsalt kliente. Müüsime lahendusi enamikule tuntud kütusefirmadele USAs. Kõik soovisid uuendada kütusetootmist ja kõik katsetasid.

Mis nendest tehnoloogiatest ja materjalidest on saanud?

Tegelikult ma ei teagi. Ettevõtted võivad neid lahendusi tänapäevalgi kasutada. Ega nende uste taha ei näe pärast seda, kui nad su tehnoloogiaga omi asju ajama hakkavad.

Kas see oli teie esimene ettevõtluskogemus tehnoloogia valdkonnas?

Jah. See oli ka paras finantskatastroof, nii et järgmine kord olin oluliselt hoolsam oma ideedest ettevõtte tegemisel, kuigi oli igati põnev käia ja vaadata ettevõtteis, mil moel kümned teadlased ja insenerid askeldavad minu loodud seadmete kallal.

See on nüüdseks ajalugu. Mina aga jõudsin valgust mõjutavate, fotooniliste materjalide juurde omapärasel moel. Minu kabinet oli lähestikku fotooniliste materjalide teooria looja Sajeev Johni omaga. Nii ta minu kabinetti sattus, tutvustas end ja ütles, millega tegeleb. Sel ajal polnud keemikuile teadagi, mis need fotoonilised kristallid ja materjalid on. Loomulikult teadsime, mis on Raleigh’ hajumine (valguse hajumine osakestelt, mille mõõtmed on väiksemad valguse lainepikkusest, selle nähtuse tõttu on loojunud päikese pool taevas punane – M. S.). Teadsime ka seda, et erineva murdumisnäitajaga katetega saab peegleid muuta valgust valikuliselt peegeldavaks. Selle nähtuse olid avastanud isa-poeg Braggid juba XX sajandi alguses. Braggi filtreil põhinevad lahendused tekitasid muidugi omaaegse telekommunikatsiooniplahvatuse, kui signaal suunati metallkaabli asemel optilisse kiudu. Alcatel, Nortel ja teised Kanada firmad viisid läbi suure muudatuse telekommunikatsiooni valdkonnas. Me ei tea veel täpselt, milliseid muutusi võib esile kustuda uute fotooniliste materjalide, nende materjalide, millega ka mina tegelen, kasutuselevõtt.

Sajeev Johni juurde tagasi tulles: ta teatas, et on leiutanud fotoonilised kristallid, mis suudavad valgust mõjutada samal moel nagu pooljuhid elektrone. Neid tuligi ta minult paluma.

Te polnud varem oma naabriga kohtunudki?

Ei. Ta oli rännanud mööda maailma ja tutvustanud fotoonilise kristalli ja fotoonilise keelutsooni (keelutsoon on kristallides piirkond, kus pooljuhtide puhul elektrone esineda ei saa, ja fotooniline keelutsoon on koht, kus valgus aines liikuda ei saa – sel moel luuaksegi nii elektronidele pooljuhtides kui ka valgusele fotoonilistes materjalides tehnoloogliselt huvipakkuvaid liikumisteid ja -viise – M. S.) fenomeni ja otsinud neile materjalidele valmistajat.

Sobilikem materjal selleks on räni, ja mina, tema vahetu töönaaber, olin selles valdkonnas väga hea asjatundja. John oli andekas füüsikateoreetik ja eks temagi imestas, et tema välja mõeldud materjalide valmistaja on kohe kõrvalukse taga.

Ehe sünergia ja multidistsiplinaarsus?

Jah, tõepoolest. Eks me ole ikka uskunud, et süvaspetsialiseerumine humboltlikus ülikoolija teaduskorralduses on oluline. Osata kõigest midagi tähendab paraku ikka üheksat ametit ja kümnes on nälg. Elus on aga vaja aru saada paljudest asjadest ka oma eriala kõrval.

Nagu mainisin, oli meil oskus teha kemeilisi struktuure, aatomite ja molekulide väikesi kogumeid. Sajeev John soovis saada valguse lainepikkusega samas mõõdus materjale. See olnuks raske, juhul kui ei kasutata juba mingit olemasolevat vormi. Arvasin, et selliste osakeste ning materjalide tegemiseks oleks läinud päris pikk aeg. Ja seda väga heade kaastöölistega. Kuidas toime tulla defektidega, mis paratamatult tekivad? Mida me toona oskasime, oli räni sadestamine aurufaasist erinevatele pindadele. Aga meil ei olnud valguse lainepikkusega (mõnisada nanomeetrit) lähedaseski mõõdus kujundatud aluspinda. Selle leidsime Hispaaniast ning koostöös hispaanlastega lõimegi esimesed fotoonilised materjalid. Nanomeetripaksuste kihtidena suutsime tekitada kolmemõõtmelised fotoonilised materjalid. Räni kasutamine oli möödapääsmatu, sest vajalik oli suur murdumisnäitaja ja räni sobis selleks suurepäraselt. 2000. aastal avaldasime selle artikli ajakirjas Nature.

See oli suur läbimurre. Kuidas ülikool reageeris?

Tegemist oli märkimisväärse läbimurdega. Kõik said sellest aru. Ma ei tea, kas see nii ka tegelikult on, et tegemist on uue võimaliku triljonidollari äriga. Telekommunikatsiooni ettevõtteis hakati nägema fotooniliste materjalidega seotult dollarimärke ja nii ka selle esimese läbimurdelise artikli autoritest viis olid hiljem mitme patenteeritud fotoonilise materjali alase leiutise autorid.

Ise olin ma pärast seda mõõdukas stressis, sest üle ilma tuli lipsuga telekommunikatsiooni tegelasi, kes olid valmis pikalt arutama, milliseid lahendusi on võimalik luua valguse keelutsoone tekitavate materjalidega.

Oli see siis tootmisvalmis materjal?

Sugugi mitte. Täiuslikkusest oli asi kaugel. Neis oli ohtralt defekte ja need defektid põhjustavad valguse hajumist, mis on samal ajal ka valguse ja energia kadu. See on ka informatsiooni kadu telekommunikatsiooni jaoks, kui see suvatseks sellist materjali kasutada.

Energia- ja infokadu neile ei meeldi. Toona oli aga see parim, mida me suutsime n-ö alt üles (ingl bottom up – M. S.) sünteesilahendusega, nagu ehitatakse ka tellistest maju, saavutada.

Mis sai edasi?

Edasi püüdsime teha sama, mida oli teinud Jack Kilby pooljuhtidega. Ta tegi neist kiibid ja sai selle eest ka Nobeli auhinna. Tegime kiibid fotoonilistest materjalidest näiteks selleks, et luua valgusega arvutavaid protsessoreid. Hakkasime neid nimetama valguse opaalprotsessoriteks (looduslik mineraal opaal on samuti valgust hajutav räniaatomite nanomõõtmeis paigutuse tõttu – M. S.).

Viis aastat tegelesime selle valdkonnaga, kuid siis ilmnes, et me saame küll teha üksikuid seadmeid, kuid alt-üles-lahendusena pole neid siiski võimalik soodsalt massiliselt toota.

Jõudsime arusaamani, et peame tegelema pigem keemia kui materjalide valmistamisega. Vaatamata edule näis tulevik tume, sest kui palusin oma ala tippfüüsikutelt, et nad tooksid ühe näite, kus on võimalik kolmemõõtmelist valguse keelutsooni rakendada, jäid nad hätta. Nii olid meil materjalid, millel puudus rakendus, vaatamata sellele et kõik adusid nende perspektiivikust.

Nii et teil olid olemas materjalid, millele ei leitud kasutust.

Täpselt nii oligi. Olime jõudnud nii kaugele, et suutsime teha ränist mis tahes värvi materjale. Nii nagu liblikatiivadki on vaid erineva suuruse ja kujuga kitiinliistakad, mis muudavad valguse omadusi. Näitasin neid Toronto juveliiridele – materjale, mille helk ja värv sõltuvad vaatenurgast. Juveliirid olid vaimustuses. Proovisin paari üliõpilasega käivitada ka spin-off-ettevõtet, kes nende tootmisega tegeleks. Lõpuks jõudsin aga materjalideni, mis surve, elektrivälja või mingi muu mõjuri toimel oma struktuuri ja seega ka värvi muudavad. Avaldasime ajakirjas Nature artikli elastsetest fotoonilistest kristallidest. Kasutades polümeere, mille mõõtmed muutuvad elektrivoolu tõttu, valmistasime ka elektrivooluga oma värvi muutvaid materjale. Ja seda ultraviolettvalgusest kuni infrapunakiirguseni välja.

Me ei saanud küll lahti defektidest, kuid olime loonud materjali, mis muudab värvi, nii et kõikvõimalikud molekulaarsed defektid ei häirinud enam.

Mis sai järgmiseks sammuks?

Kolloidsed kristallid. Neil muide on kaudne seos ka Eesti ja Tartuga. Wilhelm Ostwaldi – Nobeli laureaadi, kes kunagi ka Tartus töötas – poeg Wolfgang oli see, kes sajandi eest süsteemselt kolloidmaterjalide uurimisega algust oli teinud.

Minu panus, mille olen andnud teadusele ja tehnikale, ongi nii kogum uusi materjale kui ka nende valmistamise viisid. Aastaid seda laadi keemiat õpetanuna olin olukorra ees, kus oli vaja õpikut – õpikut alale, kus mõni asi muutub mitte päevade, vaid tundidega. Ma ei õpeta süsteemipäraselt, vaid püüan üliõpilasteni viia kontseptsioone, ergutada neid loovalt mõtlema. See erineb euroopalikust süsteemipärasusest. Pooltele meeldib selline loovusekeskne õpetus, pooled vihkavad seda.

Nanokeemiat kui valdkonda, isegi sellist nimetust ei olnud olemas. 1992. aastat pärinebki üks mu artiklitest, milles ma tõin kasutusele nanokeemia mõiste („Nanochemistry: Synthesis in Diminishing Dimensions, Advanced Materials”, 1992).

Kui palju on teid mõjutanud Richard Feinman – füüsik, kes nanoasjade ja -nähtuste maailmale 1950. aastatel tähelepanu juhtis?

Väga palju. Kui ma 25-aastasena Toronto Ülikooli oma laborisse tulin, oli seal ainuke keerukam seade difusioonpump, mida kasutatakse vaakumi tekitamiseks. Ühendkuningriigis õppides huvitusin reaktsioonivõimeliste osakeste tekitamisest ja Torontos jätkasin nendega tegelemist. Feinmani hüpotees ja üleskutse võlusid ja haarasid mu kaasa. Toona sünteesisime hõbeda-aatomistest mõneaatomilisi osakesi. Suure reaktsioonivõime tõttu sai seda teha vaid väga madalal temperatuuril. Sellest perioodist pärineb mu üks esimesi raamatuid. Krüokeemia-alane.

Olen seda lugenud üliõpilasena. Tõsi, venekeelsena.

Jah, see on tõlgitud vene keelde.

Krüokeemia seostest veel nii palju, et mulle üks huvitavamaid ja pingelisemaid aegu oli koostöö NASA ja Kanada kosmoseagentuuriga, kui kavandamise üht katset madalatel temperatuuridel ja mikrogravitatsiooni oludes. See oli ohtlik ja vajaliku turvalisuse tagamine tekitas tõsist stressi. Pinged võimendusid, kui juhtus õnnetus kosmosesüstikuga ja meeskond hukkus.

Oma töödest kosmosejaamas avaldasime artikli Natures („Effect of microgravity on the crystallization of a self-assembling layered material”, Nature 28.08.1997).

Aga tagasi õpetamise juurde…

See, mida saame piiritleda sõnaga „nano”, oli varem hajus, selge piirita kontseptsioonide valdkond, millel oli kokkupuuteid füüsika, keemia, bioloogia ja meditsiiniga. Ühtäkki oli mul selge see kontseptuaalne tervik, mis vajas üleskirjutamist – lugu oma alguse ja lõpuga, mis ei saanud olla tavapärane õpik. Sellest sai ideede ja visioonide raamat. 12 peatükiga, millest igaüks sisaldas oma vaadet keemiliselt (alt üles, ehituskividest struktuure tehes) loodud nanosüsteemidele. Nii sündiski esimene visiooniraamat nanokeemiast. Mul oli kulunud selle mõtte kristalliseerumiseni kümme aastat, aga raamatu kirjutamise ajal muutus see valdkond kiiresti. Raamatu valmimisele aitas kaasa mu üliõpilane ja kaastööline André Arsenault (esimese nanokeemia raamatu kaasautor – M. S.). Ta tuli minu juurde ja ütles, et nanokeemias on raamatut vaja. Kus see on? Vastasin, et kirjutan seda, aga mul vähe aega. André siis aitaski otsad kokku võtta. Nüüdseks on selle raamatu tiraažid („Nanochemistry”, esmatrükk 2005) korduvalt läbi müüdud. Olin mures, et sellest on võrku ilmunud alla laetavad piraatkoopiad. Tuttav ütles, et see on sulle ainult kiituseks… Ilmselt nii ongi. Tänapäeval kasutatakse seda raamatut laialdaselt nii õpetamiseks kui ka õppimiseks.

Olete loov ja põlev isik, kas Kanadas vanuse tõttu pensionile ei saadeta?

Loomisvõime ja -rõõm on väärtused, mis hoiavad tegusana ka kõrges eas. See olnuks tohutu piin, kui oleksin pidanud vanuse tõttu lahkuma. Kunagi oli tõesti nii, et noortele pidi kohti tekitama. Selline valikuvabaduse puudumine häirib ja ma ei imesta, et inimesed selle peale ära väsisid, maha käisid ja oma senisele tegevusele selja pöörasid. Aga veel kord sellest raamatust…

Jah?

André on nüüd meie nanokeemiaettevõtte Opalux juht ja oma renessansliku loovuse ja universaalsusega teinud ära tohutu töö. Kui kirjastaja soovis uut ja täiendatud nanokeemia õpikut, siis pöördusin oma teise kolleegi Ludovico Cademartiri poole. Ta oli kohe nõus ja peale raamatu teise trüki („Nanochemistry” 2009) jõudsime temaga esmakursuslaste õpikuni („Concepts of nanochemistry”), mis on ühtlasi ka juhend, kuidas nanokeemiat õpetada. Toimetajate nõudel on selles mõisted väga selgeks ja sisukaks lihvitud. Maailm liigub nanotehnoloogilise buumi poole ja sellepärast tuleb aluseid täpselt ja selgelt õpetada.

Olete olnud mitmekülgne, laia joonega nanoettevõtja. Missuguseid kogemusi saite sellest ajast?

Esimese ettevõtte pingetest ja pisiasjadesse takerdumisest olin 1970. aastatel saanud oma õppetunni. Neid vigu tuli vältida ja toimida viisil, et saaks mõelda ja rahulikult magada.

Ettevõtluses on ju tuhandeid asju, mis võivad untsu minna. Õnneks saab karisid vältida. Ja uue ettevõtte (Opalux – M. S.) lõin ma alles siis, kui mul oli käepärast väga-väga hea juurateadmistega spetsialist. Lepingud ei ole mitte tähtsad, vaid esmatähtsad. Neist sünnivad ettevõtte reeglid ja võimalused. Oma esimese ettevõttega seotud stress ja unetus pärinesidki suurel määral just õiguslikust mõtlematusest. Meiesugused võivad vallata tehnoloogiaid, kuid turud, mikro- ja makroökonoomika, lepinguõigus ja edukas kauplemine pole alati need, milleks oskusi jagub. Õnn oli, et leidsin majanduses ja õiguses kodus oleva füüsikuharidusega abimehe. Ta oli mu treeningukaaslane. Ühised huvid ja head suhted on koht, kust õnnestub viljakat koostööd välja õngitseda.

Kas ta mõistis valguse võlumise erilisust?

Kui tutvustasin meie võimalusi ja oskusi, lubas ta kohe aidata. Temast sai mu päästerõngas. Tegin esimesed sammud sedapuhku õigesti, sest ka väga olulised ideed lähevad untsu just käivitusfaasi vigade tõttu. Esimene otsus oli, et ma ei hakka ettevõtet juhtima, vaid jätkan õpetlasena. Mu mentor aitas mul sõlmida kõik õiguslikud suhted.

Suurimaks probleemiks osutuvad sellistel puhkudel ballastinvestorid – ülikoolid, kes soovivad automaatselt saada mingit osa ettevõttest, ise investeerimata ja ettevõtet arendamata. Vahel on see osa 25%, vahel rohkem. Selline ballastomanik pigem peletab huvilisi, kui kaasab neid. Ülikoolidele oleks kasulik, kui sellised spin-off-ettevõtted võimalikult kiiresti kosuksid ja oleksid neile partneriks. Meie kultuuris on kombeks siis ka oma alma mater’ile annetada, ja annetatakse rikkalikult. Ballastinvestori rolli puhul, kui täidetakse vaid aktsionäri osa ega looda väärtust, võivad aga nii ettevõte kui ka ülikool rahast ilma jääda.

Opalux on siis üsna omapärane ettevõte?

Meil on tõepoolest suur hulk lahendusi, millel ehk puudub teada olev lahendamist vajav probleem. See ei ole IT-ettevõte, aga arengupotentsiaal on suur. See ongi aidanud meil leida oma esmased investeerimisinglid ja edasi minna.

Kes on see mentor, kes laseb teil rahulikult magada?

See on väga hea küsimus…

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming