Keemia- ja füüsikapreemiate märksõna on valgus

Stefan Hell võidu toonud tehnoloogiat kasutava mikroskoobiga. Foto: AFP/Scanpix.

Mikroskoobid, mis võimaldavad jälgida valke ja viirusi, ning sinine valgusdiood, mida tänapäeval leiab juba paljudest kodudest, tõid nende leiutajatele tänavused Nobeli füüsika- ja keemiapreemiad.

Keemiapreemia pälvinud füüsikud said hakkama sellega, mida terve 20. sajandi vältel oli peetud võimatuks: uurida valgusmikroskoobiga eluslooduse pisimaid komponente. 1873. aastal sõnastas saksa füüsik optikafirma Carl Zeiss teadusdirektor Ernst Abbe valemi, mis tõi välja valgusmikroskoobi piirid: sellega ei ole võimalik uurida asju, mille mõõtmed on väiksemad kui pool kasutatava valguse lainepikkusest.

Viimastel aastakümnetel on see valmistanud bioloogidele sügavat meelehärmi, sest huvitavad objektid on tihti just selles mõõtkavas. Nii võis seniste mikroskoopidega näha küll bakterirakku või mõnd inimraku organelli, ent selle sisemise struktuuri uurimiseks ei jätkunud Abbe piiri tõttu lahutusvõimet. Alternatiiv oli kasutada elektronmikroskoopi, mis aga nõudis objekti fikseerimist ega lubanud uurida elavaid rakke ega nendes toimuvaid protsesse.

«Oli üldlevinud teadmine, et [valgusmikroskoobi lahutusvõime suurendamine] ei tööta,» tõdes Nobeli keemiapreemia komitee esimees Sven Lidin pressikonverentsil. «Meie laureaadid muutsid seda paradigmat, leidsid võimaluse sellest piirist mööda minna.»

Kui senised püüded pilti teravamaks saada olid seotud valguse omaduste muutmisega, siis uute mikroskoopide loojad keskendusid 1990. aastatel pigem uuritavate molekulide omadustele. Võtmeks sai uuritavatele objektidele fluorestseeruvate ehk teatud valguse mõjul helendavate «siltide» lisamine.

Sakslane Stefen Hell, kes paarikümne aasta eest, preemia toonud probleemiga tööd alustades tegutses Soomes Turu ülikoolis, töötas välja STED-mikroskoobi, milles teistsuguse valgusega ümbritsedes suudetakse uuritava fluorestseeruva valguse täpp kahandada nanomõõtmetesse. Ameeriklane Eric Betzig leiutas ühe-molekuli-mikroskoobi, mis tugines samuti erivärviliselt helendavatele molekulisiltidele. Tema mikroskoop sai aga tõhusalt toimima hakata alles siis, kui Wil­liam Moerner oli välja töötanud spetsiaalsed valgud, mille helendamist saab tahte järgi sisse ja välja lülitada.

«Nüüd saame uurida keemiat üksikute molekulide tasandil ja tegelikus elus,» selgitas Lidin preemiasaajate töö tähtsust.

Ka füüsikapreemia pälvinud teadlaste puhul tõstis komitee esile nende visa ja püsivat tööd probleemi kallal, mis oli pikalt püsinud alistamatu. Kui punast ja rohelist valgust kiirgavad valgusdioodid olid välja töötatud juba 1960. aastatel, siis sinist valgust kiirgava dioodi valmistamine osutus ootamatult keeruliseks. Ilma sinise dioodita ei saa aga valmistada valge valguse allikaid, sest valge valgus on eri värvide kombinatsioon.

Kolme Jaapani füüsikut, Isamu Akasakit, Hiroshi Amanot ja Shuji Nakamurat saatis edu alles 1990. aastatel. Ja seda mitte mõne läbimurdelise avastuse tõttu, vaid tänu järjepidevale tööle, millega neil viimaks õnnestus kasvatada sobivad galliuminitriidi kristallid ja need pooljuhis nii seada, et tulemuseks oli sobiv diood.

Nüüdseks on valgusdioodidel põhinevad LED-valgusallikad kõikjal meie ümber, need leiavad kasutust näiteks nutitelefonide taskulampides ja ekraanides. «Tulevikus võime näha kaasaskantavaid seadmeid, mis puhastavad steriliseeriva UV-kiirgusega vett,» tõi Chalmersi tehnoloogiaülikooli professor Per Delsing veel näiteid leiutatud lambi kasutusvõimaluste kohta.

«Valgusdioodid on viis, kuidas teha kunstvalgust palju tõhusamaks kui vanad valgusallikad,» rõhutas Delsing. «Selline valguse saamise viis on üpris lähedane kasutegurile, mis on teoreetiliselt võimalik: ühe elektroni sisse panemisel tuleb välja üks footon. On väga raske leida midagi, mis toimib tõhusamalt.»

Kuna energiasäästlikkusest tulenev odavus teeb valguse paljudes maailma paikades kättesaadavamaks, vastab kolme füüsiku töö Nobeli komitee hinnangul suurepäraselt Alfred Nobeli poolt seatud tingimusele, et premeeritud tööd peavad tegema inimkonna elu mingil moel paremaks.

«Arvan, et Alfred Nobel oleks seekordse preemia üle väga õnnelik,» ütles Delsing.