Suomen Akatemialta lähes 4,9 miljoonan euron tuki Jyväskylän yliopiston korkeatasoisille luonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksille

Akatemiatutkijoiden valinnassa toimikunta painotti hakijoiden henkilökohtaista pätevyyttä ja tutkimuksen tieteellistä laatua. Koko maassa rahoituksen sai 22 uutta akatemiatutkijaa. Toimikunta myöntää akatemiatutkijoille määrärahan palkkaan ja lisäksi rahoitusta oman tutkimusryhmän perustamiseen ja muihin tutkimuskuluihin.

Akatemiahankkeiden rahoituspäätöksissä toimikunta korosti tutkimuksen tieteellistä laatua, uutuusarvoa ja mahdollisuutta läpimurtoihin sekä hankkeen toteutettavuutta. Toimikunta rahoittaa akatemiahankkeita yhteensä noin 44 miljoonalla eurolla.

Tutkijatohtorin rahoituksen sai 44 uutta tutkijatohtoria. Rahoituksen myöntämisessä toimikunta korosti tutkimuksen korkeaa tasoa ja tutkijoiden vahvoja yhteistyöverkostoja.

Akatemiatutkijat

CompEL: Sähkökemiallisen hapenpelkistysreaktion ymmärtäminen laskennallisen kemian avulla

Tutkija Marko Melander sai akatemiatutkijan 447 650 euron rahoituksen sähkökemiallisen hapenpelkistysreaktion tutkimiseen.

Hapen pelkistysreaktio (ORR) on keskeinen reaktio sähkökemiallisessa energian tuotannossa ja varastoinnissa sekä esimerkiksi vetyperoksidin tuotannossa. ORR edellyttää aktiivisten, valikoivien ja pysyvien katalyyttinen käyttöä ja kehittämistä, mutta toistaiseksi systemaattinen katalyysisuunnittelu ei ole ollut mahdollista monimutkaisen kemian ja sähkökemiallisen ympäristön takia.

CompEL-tutkimushankkeessa kehitetään ja käytetään seuraavan sukupolven kvanttikemiallisia menetelmiä erottelemaan, kuinka pH, potentiaali ja katalyyttimateriaali säätelevät ORR-kemiaa sekä reaktioympäristöä. Uusien menetelmiä avulla  voidaan ymmärtää sähkökemiallisia reaktioita atomitasolta alkaen, selvittää pH:n, elektrodipotentiaalin ja katalyyttimateriaalin vaikutuksen ORR-kemiaan sekä tarjota uusia laskennallisia ja kokeellisia konsepteja ja työkaluja parempien katalyyttien kehittämiseksi.

Kvanttiväridynamiikan aine äärimmäisissä olosuhteissa

Tutkija Heikki Mäntysaari sai 447 650 euron akatemiatutkijan rahoituksen kvanttiväridynamiikan aineen (QCD-aine) tutkimiseen.

Teoreettisen hiukkasfysiikan projektissa tutkitaan äärimmäisen tiheää ydinainetta, jota odotetaan syntyvän erittäin suurissa tiheyksissä jotka saavutetaan nykyisissä ja lähitulevaisuuden hiukkaskiihdytinkokeissa. Tutkimuskohteena ovat hiukkastörmäykset, jotka ovat sensitiivisiä ytimen rakenteelle alueessa, jossa tiheydet ovat niin suuria kuin luonnossa ylipäätään on mahdollista: kvanttikenttäteoreettiset epälineaariset ilmiöt rajoittavat tiheyden kasvua suurilla energioilla.

Projektin tavoitteena on selvittää tarkkojen teoreettisen laskujen ja fenomenologisten sovellusten pohjalta tällaisen erittäin tiheän ydinaineen olomuodon ominaisuudet. Lisäksi selvitämme, muodostuuko tätä ydinaineen olomuotoa nykyisten hiukkaskiihdyttimien energioilla. Tärkeänä osana projektia on myös valmistautua uuteen ydin- ja hiukkasfysiikan aikakauteen joka alkaa vuosikymmen lopussa Yhdysvaltoihin rakennettavan elektroni-ionikiihdyttimen valmistuessa.

Satunnaisgeometrian konformi-invarianssi

Apulaisprofessori Eveliina Peltola sai 447 650 euron akatemiatutkijan rahoituksen satunnaisgeometrian konformi-invarianssin tutkimiseen. 

Projektissa tutkitaan tiettyjen teoreettisessa fysiikassa esitettyjen mallien matematiikkaa: niin sanottuja kriittisiä hilamalleja ja konformikenttäteoriaa. Nämä satunnaiset mallit kuvaavat mikroskooppisten hiukkasten ominaisuuksia, kuten aineen rakennetta. Ne liittyvät myös laajan skaalan ilmiöihin ja maailmankaikkeuden tutkimukseen.

Projektin tavoite on ymmärtää hiukkasten vuorovaikutuksia ja erilaisten hiukkasten välisiä rajakäyriä. Tutkittavia malleja voi tarkastella matemaattisesti monin tavoin: esimerkiksi algebran, geometrian, tai todennäköisyysteorian keinoin. Tavoite on muodostaa käsitys eri näkökulmien keskinäisistä yhteyksistä ja saada siten uutta tietoa itse malleista. Projekti tuottaa uutta tietoa sekä edellä mainituista malleista että eri matematiikan aloista ja niiden välisistä yhteyksistä. Tutkimuskohteet ovat tärkeitä yhteiskunnan kehitykselle ja hyvinvoinnille pitkällä aikavälillä. Tutkittavilla malleilla on sovelluksia muun muassa talous- ja yhteiskuntatieteisiin, biologiaan, ja neurologiaan.

Akatemiahankkeet

Katalyyttien kontrollointi anionien avulla

Professori Petri Pihko sai 327 764 euron rahoituksen ja professori Gerrit Groenhof sai 231 597 euron rahoituksen COCOA-konsortiossa tehtävälle tutkimukselle. COCOA-projektissa tavoitellaan sitä, minkä luonto jo osaa: katalyyttien, sensorien ja aktivaattorien säätelyä pienten anionien avulla. Konsortiota johtaa Petri Pihko ja mukana on myös professori Rikkert Wierenga Oulun yliopistosta.

Luonnossa anioneja käytetään säätelyyn esimerkiksi tavallisessa amylaasientsyymissä, joka pilkkoo tärkkelystä ruoansulatuksessa. Säätely kohdistuu sekä entsyymin muotoon että tehokkuuteen. Projektissa jäljitellään tätä mekanismia pienten synteettisten katalyyttien, sensorien ja aktivaattorien avulla. Kontrollielementteinä käytetään yleisiä anioneja. Projektissa tutkitaan, miten näitä kontrolloituja järjestelmiä voidaan hyödyntää katalyysissä, tunnistuksessa ja entsyymikatalyysin aktivoinnissa.

Aktinoidien tutkimus: Radioisotooppien teoria ja kokeet

Apulaisprofessori Markus Kortelainen sai 463 063 euron ja professori Iain Moore sai 395 426  euron rahoituksen PANTHER-konsortiossa tehtävään tutkimukseen.

Aktinoidiryhmän alkuaineet tarjoavat mahdollisuuden monitieteelliseen tutkimukseen ydinrakennefysiikasta ja atomifysiikasta aina standardimallin ulkopuolisen fysiikan etsimiseen. Projektin tarkoituksena on tutkia aktinoidiytimien perustilan ominaisuuksia käyttäen viimeisintä tekniikkaa edustavia teoreettisia ja kokeellisia menetelmiä.

Kokeellisessa tutkimuksessa käytetyt elementit tuotetaan Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa, missä niitä tutkitaan resonanssi-ionisaatiospektroskopian avulla. Tätä tietoa käytetään olemassa olevien ydinrakennemallien testaamiseen, sekä uuden ja ennustusvoimaisen ydinrakennemallin kehittämiseen.

Lämpöfononiikka: Lämmön pysäyttäminen, tunnelointi ja topologinen lämmönsiirto

Professori Ilari Maasilta sai 538 955 euron rahoituksen lämpöfononiikan tutkimukseen.

Sähkön (elektronien) ja valon (fotonien) kontrollointi on lähes kaiken fysikaalisen teknologian taustalla. Sen sijaan lämmön kvantit eli fononit ovat olleet taka-asemassa, johtuen niiden kontrolloinnin haastavuudesta. Projektissa tavoitteena on kehittää täysin uusia tapoja kontrolloida fononeja, ja erityisesti niiden kautta lämmönjohtumista. Jotta se olisi mahdollista, laitteita on tehtävä nanoskaalassa, missä fononien aallonpituus ja törmäilymatka ovat näytteen kokoluokkaa.

Tutkijat muuntavat lämmönjohtumista käyttäen uudenlaisia rakenteita, kuten fononikiteitä, fononilasia, topologisia fononi-metamateriaaleja sekä fononitunnelointia. Mahdollisia sovelluskohteita ovat säteilydetektorien kehityksessä, kvantti-bittien kontrolloinnissa sekä hukkalämmön käytössä.

Säteilevät lämpöä mittaavat molekylaariset nanomagneetit

Akatemiatutkija Jani Moilanen sai 556 692 euron rahoituksen molekylaaristen nanomagneettien tutkimukseen.

Lämpötilan mittaus mikrometriä pienimmissä nanoskaalan elektronisissa laitteissa ei ole mahdollista tavallisilla kontaktiin perustuvilla lämpömittareilla laitteiden pienen koon takia. Lämpötilan jakautumisen ymmärtäminen nanoskaalan elektronisissa laitteissa on kuitenkin yhtä tärkeää kuin niiden lähtöaineiden kehittäminen, koska lämpötilan jakautuminen vaikuttaa elektronisten laitteiden toimintaan ja voi pahimmissa tapauksessa johtaa niiden toimintahäiriöön.

Projektissa kehitetään uusia molekylaarisia nanomagneetteja, jotka voivat toimia myös molekylaarisina lämpömittareina, sekä tutkitaan niiden kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia kokeellisen ja laskennallisen kemian avulla. Projektissa saatuja tuloksia voidaan hyödyntää seuraavan sukupolven multifunktionaalisten molekylaaristen materiaalien kehittämisessä, jotka toimivat sekä molekylaarisina nanomagneetteina että optisina molekylaarisina lämpömittareina.

Kuljettajan havainnointivaatimukset avustamattomassa ja avustetussa ajamisessa

Yliopistotutkija Tuomo Kujala sai 474 056 euron rahoituksen kuljettajan havainnointivaatimusten tutkimiseen.

Itseohjautuvat autot eivät selviä vielä itsenäisesti ajoneuvon turvallisesta kuljettamisesta kaikissa mahdollisissa liikennetilanteissa. Järjestelmät helpottavat ajamista, mutta kuljettajan tulisi yhä valvoa järjestelmien toimintaa ja kyetä ottamaan tarvittaessa ohjat.

Projekti kehittää laskennallisia malleja, joiden avulla voidaan määritellä kuljettaja- ja tilannekohtaisia raja-arvoja turvallisuuden näkökulmasta sopivalle liikenneympäristön havainnointitiheydelle. Kehitettävät mallit ennustavat kuljettaja- ja liikennetilannetekijöiden vaikutuksia kuljettajan havainnointivaatimuksiin kuljettajan ajaessa autoa täysin itse, avustavien järjestelmien tukemana, tai istuessa osittain autonomisen ajoneuvon kyydissä. Malleja kehitetään kokeellisen ajosimulaattoritutkimuksen pohjalta.

Mallien avulla voidaan lisäksi ymmärtää paremmin kuljettajien yksilöllistä vaihtelua ja kehittymistä liikenneympäristön havainnoinnissa. Tutkimuksen avulla voidaan kehittää kuljettajan tarkkaamattomuuden tunnistavia algoritmeja, kuljettajaa avustavia järjestelmiä, kuljettajakoulutusta, sekä turvallisempia kuljettajan käyttöliittymiä. Mallit soveltuvat raja-arvojen määrittelyyn ja ihmisoperaattorin käyttäytymisen analysointiin myös muissa dynaamisissa tehtävissä kuin ajamisessa.

Tutkijatohtorit

Maankuoren yleisiin ja halpoihin metalleihin pohjautuvat kompleksit typen aktivointiin ja pelkistykseen

Chris Gendy sai noin 279 000 euron tutkijatohtorin rahoituksen typen aktivointiin ja pelkistykseen liittyvään tutkimukseen.

Ammoniakin valmistaminen Haber-Bosch -menetelmällä typpi- ja vetykaasuista kuluttaa vuositasolla noin 1-2 prosenttia maailman energiantuotannosta sekä 60 prosenttia valmistetusta vedystä. Korkeassa paineessa (150-250 bar) ja lämpötilassa (400-500 °C) tapahtuva prosessi tarvitsee lisäksi keskitetyn tuotantoympäristön ja laaja-alaisen, maailmanlaajuisen, ammoniakin kuljetus- ja jakeluverkoston, mitkä lisäävät sen ympäristövaikutuksia entisestään.

Ammoniakin valmistuksen valtavia ympäristövaikutuksia voitaisiin kuitenkin pienentää, jos Haber-Bosch menetelmälle olisi olemassa varteenotettava vaihtoehto, joka toimisi tehokkaasti myös pienemmässä mittakaavassa ja alhaisemmassa lämpötilassa ja/tai paineessa. Tässä tutkimusprojektissa on tarkoituksena valmistaa luonnon entsyymikatalyyttien inspiroimia matalan hapetusasteen siirtymämetallikomplekseja ja hyödyntää niitä typen pelkistämisessä ja muuttamisessa ammoniakiksi. Tutkimusprojekti toteutetaan Jyväskylän yliopistossa sekä Yalen yliopistossa Yhdysvalloissa.

Ilmakehän aerosolihiukkasten ainesosien termodynaamisten ominaisuuksien arvioiden parantaminen koneoppimisella

Noora Hyttinen sai noin 244 000 euron tutkijatohtorin rahoituksen koneoppimismenetelmien potentiaalin tutkimiseen.

Heikosti haihtuvat orgaaniset yhdisteet osallistuvat ilmakehän aerosolihiukkasten muodostumiseen ja kasvuun. Näiden yhdisteiden termodynaamiset ominaisuudet vaikuttavat aerosolin ominaisuuksiin, erityisesti niiden elinaikaan ja kykyyn toimia pilvien tiivistymisytiminä. Projektissa tutkitaan koneoppimismenetelmien potentiaalia termodynaamisten ominaisuuksien laskemisessa.

Koneoppimista käytetään kvanttikemian rinnalla laskemaan orgaanisten yhdisteiden termodynaamisia ominaisuuksia erilaisissa ilmakehään liittyvissä systeemeissä. Laskennallisten menetelmien tuloksia verrataan vastaaviin kokeellisilla menetelmillä saatuihin tuloksiin.

Lisätietoja:
Marko Melander, marko.m.melander.jyu.fi
Heikki Mäntysaari, heikki.mantysaari@jyu.fi
Eveliina Peltola, h.eveliina.peltola@jyu.fi (1.9.2021 alkaen)
Gerrit Groenhof, gerrit.x.groenhof@jyu.fi 
Petri Pihko, petri.pihko@jyu.fiMarkus Kortelainen, markus.kortelainen@jyu.fi
Iain Moore, iain.d.moore@jyu.fi
Ilari Maasilta, ilari.j.maasilta@jyu.fi
Jani Moilanen, jani.o.moilanen@jyu.fi
Tuomo Kujala, tuomo.j.kujala@jyu.fi
Chris Gendy, chris.c.gendy@jyu.fi

Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Viestinnän asiantuntija Tanja Heikkinen, tanja.s.heikkinen@jyu.fi, +358 50 472 1162
https://www.jyu.fi/science/fi

Informaatioteknologian tiedekunta 
Viestinnän asiantuntija Kati Valpe, kati.valpe@jyu.fi + 358 400 247 458
https://www.jyu.fi/it/fi