Karoliina Honkala

Karoliina Honkala (s. 1973 Kuusamo) on suomalainen kemisti ja professori. Hän on toiminut Jyväskylän yliopistossa kemian professorina vuodesta 2017.

Akateeminen ura

Karoliina Honkala väitteli vuonna 2001 tohtoriksi fysikaalisen kemian alalta Oulun yliopistossa. Hänen väitöskirjansa (Ab initio-tutkimuksia O:n, O₂:n, CO:n ja NO:n adsorptiosta Al(111) ja Pd(111)-pinnoille (engl. Ab initio studies of O, O₂, CO and NO on Al(111) and Pd(111) surfaces)) aiheena oli happiatomien, hiilimonoksidin ja typpioksidin adsorptoituminen metallipinnalle. Tutkimuksessa käytettiin kahta eri metallia (palladium ja alumiini). Honkala sovelsi työssä tutkimusmetodina laskennallisen kemian menetelmiä.

Valmistumisen jälkeen Honkala työskenteli 2002–2004 tutkimusprofessorina Tanskan teknillisessä korkeakoulussa. Palattuaan kotimaahan hän toimi Suomen akatemian tutkijatohtorina 2005–2006 ja sen jälkeen vuosina 2006–2012 akatemiatutkijana Jyväskylän yliopistossa. Vuonna 2006 hänet nimitettiin Jyväskylän yliopiston fysikaalisen kemian dosentiksi. Akatemiakauden jälkeen Honkala työskenteli vuodesta 2012 lähtien Jyväskylän yliopistossa yliopistotutkijana.

Professoriksi

Jyväskylän yliopisto julisti tammikuussa 2016 haettavaksi uuden viisivuotisen apulaisprofessuurin (tenure track), jonka erikoisalana oli laskennallinen nanokatalyysi. Apulaisrofessuuri oli poikkitieteellinen: siinä yhdistyivät kemian ja nanotieteen tutkimus. Virkaan nimitettiin joulukuussa 2016 Karoliina Honkala ja hän aloitti tehtävässä virallisesti helmikuussa 2017. Hänen vastuullaan oli laskennallisen nanotieteen tutkimus ja opetus; tutkimustoiminnan osalta varsinkin pinta- ja katalyysitutkimus. Pintatutkimus tarkastelee aineen pinnan ominaisuuksia. Niitä ovat esimerkiksi kemialliset ominaisuudet.

Honkalan kiinnostuksen kohteena ovat olleet erilaiset aineet nanotasolla. Hän työskenteli apulaisprofessorina ja jo aiemmin tutkijana sekä kemian laitoksella että Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa (NSC). Jyväskylän yliopisto on määritellyt yhdeksi painopistealakseen molekulaarisen nanotieteen opetuksen ja tutkimuksen. Honkalan nimitys oli osa tämän vahvuusalan kehittämistä. Lisäksi se vahvisti laskennallisen kemian ja spektroskopian tutkimusta kemian laitoksella.

Jyväskylän yliopiston rehtori Matti Manninen nimitti Karoliina Honkalan huhtikuun alussa 2017 vakinaiseksi kemian professoriksi Jyväskylän yliopistoon erityisalanaan laskennallinen nanokatalyysitutkimus. Professorina Honkala jatkaa aiempaa tutkimustyötään katalyysin ja katalyyttien parissa. Hänen johdollaan Jyväskylän yliopistossa on toiminut laskennallisen katalyysin tutkimusryhmä, jonka keskeiset tutkimusaiheet ovat: 1) hiilivetyjen heterogeeninen katalyysi, 2) katalyysi aineiden pinnalle ja nanopartikkeleiden katalyysi sekä 3) elektrokatalyyttiset menetelmät.

Professori Honkala on ohjannut neljä väitöskirjaa ja lisäksi hän on toiminut FT Sakari Tuokon väitöskirjan toisena ohjaajana.

Tutkimusura

Kemistinä Honkalan erikoisalaa on kemiallinen katalyysi - ja varsinkin laskennallisen kemian menetelmin tapahtuva katalyysitutkimus. Traditionaalisista kemian aloista hänen pääasiallinen tutkimusalansa on fysikaalinen kemia. Honkala erikoistui fysikaalisen kemian alaan kuuluvaan laskennalliseen kemiaan jo väitöstutkimuksessaan, jossa hän käytti erilaisia ab initio-menetelmiä.

Honkala on pitkään tutkinut kemiallisia katalyysireaktioita ja erilaisia katalyyttejä. Perinteisesti katalyysin ja katalyyttien tutkimuksessa tavoitteena on ollut parantaa katalyyttien aktiivisuutta. 2000-luvun alkupuolella painopiste on sen sijaan siirtynyt enemmän katalyyttien selektiivisyyden tutkimiseen. Alan tutkimustyötä on vuoteen 2016 menessä tehty jo muutaman vuosikymmenen ajan. Tiukentuneet ympäristömääräykset edellyttävät, että kemianteollisuuden prosesseissa on säästettävä materiaaleja ja että prosessit tuottaisivat vähemmän jätettä. Tutkijat pyrkivät saavuttamaan nämä tavoitteet kehittämällä aiempaa selektiivisempiä katalyyttejä halutuille reaktioille. Professori Honkalan tutkimusryhmä on tehnyt tutkimusta uusien selektiivisempien katalyyttien löytämiseksi ja kehittämiseksi. Honkalan tutkimus pyrkii selvittämään erityisesti sitä, mitkä eri tekijät vaikuttavat katalyyttisten reaktioiden aktiivisuuteen ja selektiivisyyteen. Näiden tekijöiden tunteminen auttaa reaktioiden ohjaamisessa ja kemiallisten reaktioiden mekanismien ymmärtämisessä.

Honkalan johdolla toimiva laskennallisen katalyysin tutkimusryhmä tutkii kemiallisia reaktioita atomitasolla. Tarkastelun kohteena olevia rakenteita ja yhdisteitä ovat esimerkiksi siirtymämetallit, metallioksidit ja nanoklustereiden pintarakenteet. Ryhmä soveltaa työssään erilaisia laskennallisia menetelmiä, jotka perustuvat mm. tiheysfunktionaaliteoriaan ja kineettisiin Monte Carlo -simulaatioihin, jotta saadaan selville erilaisia heterogeenisessä katalyysireaktioissa ja elektrokatalyysissä vaikuttavia kineettisiä tekijöitä sekä reaktion mekanismeihin liittyviä tekijöitä. Ryhmä tekee perustutkimusta, jonka tuloksista odotetaan olevan hyötyä mm. akkujen kehittämisessä, öljynjalostukseen käytettävien katalyyttien kehittämisessä ja ympäristöön liittyvissä sovelluksissa.

Katalyysitutkimuksen teemoja

Kemisteillä on katalyysitutkimuksen alalla selvitettävänä merkittäviä tutkimuskysymyksiä. Keskeinen tutkimusongelma on katalyyttien valikoituvuus eli selektiivisyys. Katalyytit jaetaan tavallisesti kahtia homogeenisiin ja heterogeenisiin katalyytteihin. Heterogeenisillä katalyyteillä tehdyt reaktiot ovat harvoin selektiivisiä, mikä tarkoittaa, että näiden reaktioiden raakatuotteet saattavat sisältää useita kemiallisesti tai stereogeenisesti erilaisia aineita. Homogeenistä katalyyttiä käytettäessä ongelmana on se, että katalyytin erottaminen reaktion lopputuotteista on usein hankalaa ja kallista, vaikka homogeeniset katalyytit ovat usein selektiivisiä. Katalyyttien erottaminen on vaikeaa siksi, että homogeeninen katalyytti on samassa faasissa reagoivien aineiden kanssa.

Katalyysitutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää esimerkiksi lääketeollisuudessa, jossa katalyyttejä käytetään lääkeaineiden syntetisointiin. Tutkijoiden haasteena on löytää katalyyttejä, joiden avulla lopputuotteet olisivat mahdollisimman puhtaita ja stereokemiallisilta ominaisuuksiltaan halutunlaisia. Professori Honkalan tutkimustyön tavoitteena on etsiä ratkaisuja esimerkiksi lääketeollisuuden katalyysireaktioiden kehittämiseksi.

Toinen olennainen kysymys tutkijoille on ollut selvittää, mitä reaktion aikana tapahtuu. Heterogeenisiä katalyyttejä käytettäessä reaktiomekanismejä ei ole aiemmin tunnettu tarkasti. Professori Honkalan tutkimusryhmä on käyttänyt esimerkiksi metalleja katalyysin käynnistäjinä (heterogeenisinä katalyytteinä). Katalyyttinä käytettyjen metallipartikkelien (esimerkiksi palladiumin) pinnalla tapahtuvien reaktioiden mekanismit ovat olleet pitkään melko tuntemattomia. Tutkijat ovat tyypillisesti määrittäneet katalyysireaktiolle tietyt lähtöaineet ja reaktiosta saadaan aikaan lopputuotteita. Sen sijaan on ollut pitkään spekulatiivistä, mitä tapahtuu reaktioiden aikana. Tähän kysymykseen professori Honkala tutkimusryhmineen on etsinyt vastauksia. Esimerkiksi Honkalan oppilaana olleen ja hänen tutkimusryhmässään (2012–2016) työskennelleen FT Sakari Tuokon vuonna 2016 tarkastettu väitöskirjatutkimus ("Understanding selective reduction reactions with heterogeneous Pd and Pt: climbing out of the black box", suom. Heterogeenisella palladiumilla ja platinalla aikaansaatujen selektiivisten pelkistymisreaktioiden ymmärtäminen: pois mustasta laatikosta) liittyi tutkimusasetelmaan, jossa heterogeenisenä katalyyttinä käytettiin palladiumia tai platinaa, kun haluttiin saada kemo- ja stereoselektiivisten mekanismien kautta erilaisilla enaaleilla aikaan haluttuja hydrosilylointireaktioita. Musta laatikko tutkimuksen nimessä viittaa siihen, että reaktioiden mekanismit ovat tuntemattomia. Tuokon väitöstutkimuksessa selvitettiin, miten erilaiset selektiiviset mekanismit toimivat reaktiossa, ja vertailtiin reaktioissa palladiumin pintaan kiinnittyneitä reaktion välituotteita laskennallisen kemian avulla mallinnettuihin välituotteisiin. Väitöstutkimuksessa käytettiin laskennallisen kemian menetelmien lisäksi orgaanisen kemian menetelmiä, mikä on harvinaista jopa maailmanlaajuisesti. Tuokon väitöskirjan ohjaajana toimi apulaisprofessori Honkalan lisäksi orgaanisen kemian asiantuntijana professori Petri Pihko. Väitöstyö oli osa Honkalan laskennallisen katalyysin tutkimusryhmän tutkimusta.

Professori Honkala on kevääseen 2017 mennessä julkaissut yli 70 vertaisarvioitua tieteellistä artikkelia.

Luottamustoimet ja huomionosoitukset

Professori Honkala on uransa aikana toiminut kemian alan luottamustehtävissä. Nimityshetkellään (2017) hän toimi Suomen Katalyysiseuran varapuheenjohtajana. Hän on ollut myös Suomen edustajana Euroopan katalyysijärjestön (engl. European Federation for Catalysis) neuvostossa. Lisäksi hän on ollut jäsenenä opetusministeriön asettamassa laskennallisten tieteiden yhteistyöfoorumissa.

Tieteellisistä ansioista Honkalalle on myönnetty pohjoismaisen katalyysiseuran Berzelius-palkinto vuonna 2015.