Uute optika- ja spektroskoopiameetodite arendamine ja rakendamine materjali- ja plasmauuringutes (juhib dr Heli Valtna)

Tööd kavatsetakse arendada järgmistes omavahel seotud suundades, mis ühtlasi toetavad TÜFI põhisuundi materjaliteaduse alal.

• Valguslaineimpulsside levi, -lokalisatsiooni ja -konversiooni teoreetiline ja eksperimentaalne uurimine dispergeerivates ja mittelineaarsetes keskkondades ning footonkristallkiududes.
• Optiliselt indutseeritud struktuurimuutuste ja relaksatsiooni teoreetiline ja eksperimentaalne uurimine aatomites, inertgaasieksimeerides ja -kristallides ning plasmas, ning mitteintrusiivse ruumilis-ajalise optilise diagnostika meetodite arendamine kõrgrõhulise gaaslahendusplasma on-line monitooringuks.
• Ülikõrge aeglahutusega optiliste ja VUV/XUV spektroskoopia eksperimentaalsete ja teoreetiliste meetodite ning tarkvara arendamine.
• Vee molekulide elektrilahendusega plasma-keemilise lagundamise spektroskoopilise diagnostika meetodite arendamine rakendusteks vesinikuenergeetikas.
• Uute laserravi meetodite väljatöötamine, katsetamine ja Eesti haiglates juurutamine.

Plasmafüüsikaalane uurimistöö (juhib kaasprofessor Indrek Jõgi)

Laser-indutseeritud plasma spektroskoopia (LIBS) ja selle rakendused
LIBS meetodi korral aurustatakse ja ioniseeritakse lühikese, aga suure võimsusega laservälke abil kübeke uuritavat materjali ja tekkinud kiirguse põhjal määratakse materjali koostis. LIBS meetod sobib kõigi materjalide uurimiseks ja seda saab rakendada laias distantside vahemikus ilma proovi eelnevalt ettevalmistamata. Samuti saab tulemuse kätte mõne sekundiga. Kõige tuntum LIBS teaduslik rakendus on ilmselt distantsilt pinnaanalüüside võtmine marsikulguril Mars Rover. Tööstuses kasutatakse LIBS meetodit metallide sorteerimisel, kivisöe kvaliteedi hindamisel jne. Plasmafüüsika laboris oleme arendanud LIBS meetodit tuumasünteesi reaktorite seinte koostise määramiseks ja põlevkivi kvaliteedi ekspressanalüüsiks.

Keemiliselt aktiivsete ühendite tekkimine plasmas ja nendega pindade, vedelike ning gaaside mõjutamine
Plasma võib olla kuum nagu näiteks tähtedes või keevitamisel, aga saab tekitada ka madalatemperatuurilist plasmat, mis on efektiivne keemiliselt üliaktiivsete hapniku- ja lämmastikuühendite allikas. Need ühendid võimaldavad aktiveerida või passiveerida pindasid, hävitada vähirakke ja lagundada ohtlikke ühendeid nii vedelikes, kui ka gaasides. Sellise plasmaga saab töödelda ka temperatuuritundlikke pindasid nagu näiteks puit, kangad, plastikud, taimed ja eluskoed. Plasmafüüsika laboris oleme uurinud madalatemperatuurse plasma kasutatavust õhu puhastamiseks saasteainetest, puidu märgavuse parandamiseks, elektroonikas kasutatavate materjalide passiveerimiseks, vette aktiivsete ühendite tekitamiseks ja vähiteraapias.

Elektrivälja mõju plasmas toimuvatele protsessidele
Madalatemperatuurses plasmas toimuvad protsessid, näiteks kiirgus, aktiivsete ühendite tootmine või ionisatsioon, on suuresti määratud elektrivälja tugevusega. Seega on nende protsesside toimumine sõltuvalt elektriväljast oluline sisendinfo paljudes rakendustes. Oleme  Plasmafüüsika laboris välja töötanud unikaalse seadme, mis võimaldab neid protsesse väga täpselt uurida.

Neutronhajumise töörühm (juhib prof Jörg Pieper)

Töörühm kasutab biomolekulide ja membraanide struktuuri ja dünaamika uurimiseks erinevaid neutroni hajutamise meetodeid, nagu väikese nurga hajumine, neutronspektroskoopia ja difraktsioon, peamiselt fotosünteesi uurimise valdkonnas.
Peamised uurimissuunad on järgmised:
Fotolülitatavate valkude ja membraanide uurimine viiakse läbi aktiivsete olekustruktuuride ja nende molekulaarse paindlikkuse määramiseks. See hõlmab neutronite hajutamiseks valgustuse all olevate in-situ meetodite väljatöötamist.
Loomulike fotosüsteemide PSI ja PSII lahenduste struktuure uuritakse väikeste nurkadega hajutamise abil peaaegu füsioloogilistes tingimustes, mida kasutatakse funktsionaalsete uuringute ja biotehnoloogiliste rakenduste jaoks. Meetodit kasutatakse ka pesuvahendi lahustamise ja kristallide moodustumise tingimuste parandamiseks kõrge eraldusvõimega struktuuride saamiseks.
Fotosünteetilisi valguse kogumise komplekse uuritakse neutron-spektroskoopia abil, et paremini mõista päikeseenergia püüdmist füsioloogilistes tingimustes.
Töörühm arendab Euroopa neutronkiirguse allika ESSi tehnilist infrastruktuuri (vt www.esss.ee). See puudutab peamiselt bioloogiliste protsesside optilise aktiveerimisega pumba-sondiga eksperimentide väljatöötamist ning järgnevat valgu struktuuri ja dünaamika ajalist tuvastamist.