Kriittisten raaka-aineiden entistä tarkempi kartoitus on nyt mahdollista Geologian tutkimuskeskuksessa
Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) isotooppilaboratorion kaksi uusinta laitetta mahdollistavat kriittisten raaka-aineiden, kuten harvinaisten maametallien (REE), sulfidien ja akkumineraalien, aiempaa tarkemman ja täsmällisemmän määrityksen. Hiljattain hankitut lentoaikamassaspektrometri (TOF) ja femtosekuntilaser sekä aiemmin hankittu multikollektori-massaspektrometri täydentävät toisiaan erinomaisesti. Yhdessä GTK:n asiantuntevan henkilökunnan kanssa laitekokonaisuus nostaa laboratorion alan kansainväliseen kärkeen.
Sovellettu mineralogia ja isotooppigeologia ovat keskeisiä menetelmiä kallioperän tutkimuksessa ja malmipotentiaalin arvioinnissa malmiesiintymien kehityksen kaikissa vaiheissa. Mineralogisia ja isotooppigeologisia tutkimusmenetelmiä voidaan soveltaa laajalti muidenkin geologisten materiaalien ja kiertotalousmateriaalien karakterisointiin eli määrittelyyn.
”Uudet laitteet parantavat merkittävästi laboratorion valmiuksia kriittisten raaka-aineiden tutkimuksessa”, sanoo Marja Lehtonen, kiertotalouden ratkaisut -yksikön päällikkö, GTK.
Lentoaikamassaspektrometrin ja femtosekuntilaserin on rahoittanut Suomen Akatemia. Tällä hetkellä laitteita käytetään pääasiassa akateemisissa yhteistyöprojekteissa, mutta myös GTK:n yhteistyökumppaneiden analyyseihin. Ne ovat käytettävissä myös asiakasprojekteissa.
Uusia mahdollisuuksia harvinaisten maametallien tutkimukseen
Analyysia varten kivinäyte asetetaan ensin femtosekuntilaseriin, jossa ablaatiomekanismilla irrotetaan materiaalia näytteen pinnasta pieneltä alueelta ja muodostetaan siitä aerosolia. Tavalliset laserit tuottavat noin nanosekunnin mittaisen pulssin (sekunnin miljardisosa, 10⁻⁹ s), kun taas femtosekuntilaser pystyy tuottamaan hyvin lyhyitä, vain muutaman femtosekunnin mittaisia, valopulsseja (sekunnin tuhannesbiljoonasosa, 10⁻¹⁵ s).
”Sen lisäksi, että prosessi nopeutuu, näyte ei juurikaan kärsi lämpövaurioista. Huomattavasti lyhyempi laserpulssi muuttaa ablaatiomekanismin täysin erilaiseksi ja paremmin ennustettavaksi. Tämä auttaa esimerkiksi harvinaisten maametallien tutkimuksessa, koska analysoitavan materiaalin määrä on usein hyvin pieni eikä vertailuaineistoja ole saatavilla”, kertoo Stepan Chernonozhkin, erikoistutkija, GTK.
Nyt voidaan tutkia myös helposti sulavia sulfideja ja sulfarsenideja. Nämä mineraalit ovat tärkeitä indikaattoreita esimerkiksi koboltti- ja kultaesiintymille.
Lentoaikaan perustuva massaspektrometria mittaa koko jaksollisen järjestelmän yhdellä kertaa ja nopeasti
Femtosekuntilaserin muodostamaa aerosolia voidaan analysoida lentoaika-ICP-massaspektrometrillä (TOF-ICP-MS). Aerosoli johdetaan plasmasoihtuun ionisoitavaksi, minkä jälkeen muodostuneet ionit ohjataan massaspektrometriin.
Ionit kiihdytetään samaan energiaan ja ne kulkevat kohti ilmaisinta. Ionien nopeus riippuu niiden massasta. Ilmaisin laskee, kuinka monta ionia saapuu joka nanosekunti. Lentoaika voidaan tämän jälkeen muuntaa ionin massaksi eli käytännössä tunnistaa, mistä alkuaineesta on kyse.
Menetelmän etuna on, että koko jaksollinen järjestelmä voidaan mitata jokaisella laserpulssilla ilman, että tutkittavia alkuaineita tarvitsee valita etukäteen.
”Näin voimme löytää myös sellaisia alkuaineita, joita emme osanneet etsiä. Kuten femtosekuntilaserin kohdalla, myös tässä yksi merkittävistä eduista on analyysin nopeus”, Chernonozhkin sanoo.
Femtosekuntilaserin ja lentoaikamassaspektrometrin yhdistelmä mahdollistaa hivenalkuaineiden jakautumisen visualisoinnin ennennäkemättömällä nopeudella alle 10 mikrometrin erotuskyvyllä. Esimerkkinä tästä on kullan jakautuminen arseenikiisurakeessa (ks. kuva).
Kuvateksti: Kullan jakautumiskartta pienessä arseenikiisurakeessa yhdestä Suomen koboltti-kultaesiintymästä. Kultavyöhykkeet muodostuvat monimutkaisten kasvuprosessien seurauksena. Tällaiset visualisoinnit auttavat ymmärtämään paremmin kriittisten mineraaliesiintymien syntyä sekä niiden etsintää ja hyödyntämistä.
Lisätietoja
Mineraalien jäljitettävyystutkimus laajenee uuden, tarkemman analysointilaitteen avulla
Marja Lehtonen, yksikön päällikkö, kiertotalouden ratkaisut
Geologian tutkimuskeskus
puh. 029 503 2183
marja.lehtonen@gtk.fi
Heli Lallukka, laboratoriopäällikkö
Geologian tutkimuskeskus
puh. 029 503 0197
heli.lallukka@gtk.fi
