KBFI ehk Eesti «kõige-kõigem» instituut

KBFI juhtivteadur Raivo Stern tutvustab Eestis unikaalset 14-teslase ülijuhtmagnetiga füüsikaliste omaduste mõõtmissüsteemi koos selle arvutipõhise juhtimiselektroonika ja ühilduva aatomjõumikroskoobiga. Foto: Liis Treimann

Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi (KBFI) hoone Akadeemia teel võiks välimuselt edukalt pretendeerida Tallinna kõige igavama hoone tiitlile, majas sees aga toimub palju sellist, mis sobiks rubriiki Eesti või isegi maailma «kõige-kõigem».

Kodulehel oleva definitsiooni järgi on KBFI «interdistsiplinaarne teadusasutus, mis teeb alus- ja rakendusuuringuid materjaliteaduse, geeni- ja biotehnoloogia, keskkonnatehnoloogia, osakestefüüsika ja informaatika vallas». Võhikule ei ütle see suurt midagi.

«Uute ainete ja materjalide uurimiseks tuleb muuta mõnda keskkonnaparameetrit. Kõige tavapärasem on temperatuur, selle uurimises me oleme «kõigem» – Eestis ainsana ulatume millikelvinite (umbes –273 °C) piirkonda… Siis on veel rõhk. Seda suunda me ei ole väga arendanud, aga minu teada ei ole ka keegi teine, nii et võib-olla oleme ikkagi «kõigem»… Ja siis on veel magnetväli – temperatuuriga võrreldav parameeter –, millega saab füüsikalisi süsteeme ühest olekust teise juhtida,» loetles KBFI direktor ja juhtivteadur Raivo Stern.

«See siin on selline magnet, mis on füüsikule väga meelepärane sellepärast, et seda saab piiranguteta eri väljatugevustele sättida. Selle seadistusvahemik on alates Maa magnetvälja tugevusest kuni 14 teslani. Maa magnetväli on umbes pool gaussi, üks tesla on 10 000 gaussi. 14T on siis umbes 280 000 Maa magnetvälja,» rääkis Stern ühes laboris asuva suure musta püti juures.

Kuidas seda magnetvälja tehakse?

«Siin on kontaktid, kust läheb sisse elektrivool. Vool läheb solenoidpooli, mis on valmistatud ainest, mida nimetatakse ülijuhiks. Ülijuhil puudub elektritakistus. Et aine püsiks ülijuhtivas olekus, peab see olema suhteliselt külm. Siin ja kõigis teistes meie magnetites saavutatakse madal temperatuur krüovedelikuga. Tuntuim krüovedelik on vedel heelium, mis on normaalrõhul 4,2 kelvinit «külm» (umbes –269 °C). Ja siin, solenoidi keskel on tollise läbimõõduga kamber, kuhu asetame uuritavad proovid,» rääkis Stern.

Samas ruumis on veel teinegi «kõigema» rubriiki sobiv seade – Šveitsi disainiga aatomjõumikroskoop.

«See on seade, millega saame uurida objekti pinda kiiresti võnkuva nõelakese lohistamisega üle selle pinna. Lohistame hästi lähedalt, nanomeetrite kauguselt, kus hakkavad juba mõjuma uuritava pinna aatomite ja teraviku aatomite vahelised jõud. Sellepärast nimetataksegi seda aatomjõumikroskoobiks. Selliseid on Eesti laborites mitmeid, aga meie mudeli eelis on see, et me saame ka sellise uurimise tõsta oma magneti muudetava magnetvälja ja temperatuuriga prooviruumi – väga praktiline ainete puhul, mille uuritav huvitav olek ei ole vaadeldav toatemperatuuril, vaid näiteks 10 või 25 kelvini juures,» selgitas Stern.

Tomograaf läbi kahe korruse

Järgmine seade on tunduvalt aukartustäratavam. See ulatub lausa läbi kahe korruse. Sterni sõnul on seegi magnet, mis sarnaneb mõnes mõttes eelmisega.

«Aga see on tehtud teise eesmärgiga. Selle magneti väljatugevusel on ainult üks ja väga hästi teada olev väärtus. Ja see väärtus on üle terve proovi (u 5 cm kõrguse silindri) väga ühtlane (ebaühtlus umbes 10^-9 ehk 0,001 promilli). See on tuuma-magnetresonants mõõtmistehnoloogia,» rääkis Stern.

Paljudele inimestele peaks see tuttav olema arsti juures käimisest.

«Kui piirduksime ainult prootonitega, saaks sedasama tehnikat kasutada meditsiinis inimkeha sisemiste muudatuste diagnoosimisel. Meditsiinis kasutatakse nimetust magnetresonantstomograafia,» lisas Stern.

Oluline erinevus on selles, et kui haiglates on magnet 70–80 sentimeetri läbimõõduga avause ümber, nii et inimene läbi mahuks, siis KBFI magnet on kahetollise avause ümber, sest mida väiksem südamik, seda tugevam magnetväli.

«Siin on magnetväli 18,8 teslat, inimese uurimiseks kasutatakse tavaliselt 1–3-teslase magnetväljaga masinaid,» selgitas Stern.

Selleks et masin veelgi tundlikumaks teha, kasutatakse nn krüomõõtepead, milles uuritav aine jääb toatemperatuurile, aga mõõtepool jahutatakse 20 kelvini peale.

Eesti suurim arvutusvõimsus

Kuna teaduses on paljude asjade jaoks vaja väga suurt arvutusvõimsust, siis on selle jaoks tehtud riikliku tähtsusega teaduse tugistruktuur, mille nimi on Eesti Teadusarvutuste Keskus (ETAIS).

«See arendus on kolme koha vahel ära jagatud. Me jagame seda Tartu Ülikooliga, kes on ühtlasi juhtpartner, ja Tallinna Tehnikaülikooliga. Meil algas selle väljaehitamine vanemteadur Mario Kadastiku käe all oluliselt varem, kuna meil oli kõigepealt selle järele vajadus – KBFI juhtivteaduri ja Tartu Ülikooli professori Martti Raidali juhtimisel toimuvaks uurimistööks koostöös Euroopa Tuumauuringute Keskusega CERN. Praegu peaks meie arvutuskeskus olema Eesti võimsaim. Keskused on aga ühendatud, nii et arvutaja ei tea, kas tema arvutust tehakse TTÜs, KBFIs või Tartu Ülikoolis,» selgitas Stern.

«Keskmine lauaarvuti on vist neljatuumaline. Meie loeme samuti tuumasid. Meil peaks olema siin natuke üle 6600 tuuma. Kui lauaarvuti kasutaja on rõõmus, kui saab arvutisse terabaidise ehk tuhande gigabaidi suuruse kõvaketta, siis siin meil on kaks korda tuhat terabaiti, ehk kaks petabaiti kettamahtu,» lisas ta. «ETAISi võrgu kaudu on see kõigile Eesti kasutajatele ligipääsetav.»

Kas nanoosake võib olla ohtlik?

Aga füüsika pole sugugi kõik, millega KBFIs tegeldakse. See on väga interdistsiplinaarne instituut. Keskkonnatoksikoloogia labor on üks bioloogia poole esindajatest. Seal otsitakse vastust küsimusele, kas meid ümbritsevad ained on meile ohtlikud või mitte.

«Kemikaalideta ei ole elu, aga kõik kemikaalid on mingist kontsentratsioonist alates mürgised, küsimus on selles, kui väikeses kontsentratsioonis see mürgisus ilmseks tuleb. Seega, ükskõik, mis meil siin ümberringi on, mingist kontsentratsioonist alates võib seda liiga palju olla. Kasvõi suhkruga võib nii juhtuda... Aga meie vaatame rohkem neid tõeliselt mürgiseid aineid,» rääkis KBFI juhtivteadur ja keskkonnatoksikoloogia labori juhataja Anne Kahru.

Mürgisust saab tema sõnul üldiselt katsetada ainult elusorganismide peal.

«Meie laboris on katseliikideks toiduahela eri lülide organismid, näiteks fütosünteesivad vetikad ja vetikaid söövad vesikirbud. Ja siis bakterid, kes viivad orgaanilise aine pärast organismi surma ringlusesse,» lisas ta.

«Ühed äärmiselt huvitavad ained on nanoosakesed ja neil põhinevad nanomaterjalid, mida saab kasutada päikesepatareides, päikesekreemides, ravimikandjates. Praegu kõik mõtlevad, kuidas teha uusi võlumaterjale, et progressi kiirendada. Loodetakse, et äkki õnnestub ennast kuidagi juukseid pidi üles tõsta. Meie vaatame, kas nanoosakestel võib olla ka soovimatuid omadusi, kas need võivad olla mürgised. See võiks progressi pigem pärssida,» rääkis Kahru.

KBFI direktor ja juhtivteadur Raivo Stern juhatab meid pika maja otsas paiknevasse töökojalaadsesse ruumi, mille lae all on rida suuri dirižaablisarnaseid musti kotte. «Siin säästame meie ja meie ülikoolide kolleegid tuhandeid eurosid aastas,» rääkis ta.

Nimelt maksab nende aparaatides kasutatav vedel heelium ligi 20 eurot liiter. KBFI käive on üle 10 000 liitri aastas, ülikoolidel veel paar tuhat liitrit.

«Tänu siin paiknevale 35 aastat pidevalt töötanud heeliumi veeldamisaparatuurile – vanuse ja unikaalsuse poolest Balti riikide «kõigem» – ostame aastas alla paari tuhande liitri. Ülejäänud krüovedelik tuleb taaskasutusest – magnetites ja eksperimentides aurustunud heeliumigaasi kokku korjamisest ja tagasi veeldamisest. See tugistruktuur koos enamiku meie ja Tartu Ülikooli suurte magnetitega moodustab riikliku tähtsusega teadustaristu – Eesti Magnetlabori.»

KBFI on viimastel aastatel olnud direktori hinnangul kõige mõjukam Eesti teadusasutus. «Meie teadusartikleid tsiteeritakse kõige rohkem,» kiitis Stern.

Akadeemik Jüri Allik koostab Eesti teadlaste nimekirja, kes on oma eriala ühe protsendi enim tsiteeritute hulgas. Seni nimekirja (vt Akadeemia 6–7, 2015) jõudnud 42 teadlasest kaheksa on seotud KBFIga, mis on vaid 60 doktorikraadiga teadlasega asutuse kohta «kõigem» kui suurest Tartu Ülikoolist nimekirja pääsenud 30 suurepärast teadlast.

«Väikse asutuse võimendust kasutades võime samuti väita, et KBFI on Eesti kõige rahvusvahelisem teadusasutus – lisaks CERNi kaastöölistele on meie laborites pidevalt külalisteadlasi ja -kraadiõppureid Inglismaa, Ungari, Soome, Rootsi, Sloveenia, Prantsusmaa, Saksamaa, Jaapani, Ameerika Ühendriikide ja Kanada teadusasutustest,» loetles Stern.