Ohjelmoitavat materiaalit

Tausta

Vuonna 2006 julkaistussa Suomen tieteen ja teknologian tulevaisuutta ennakoineessa FinnSight 2015 -katsauksessa korostetaan materiaalitutkimuksen poikkitieteellisyyttä. Nykyisin uusimmat materiaalit kehitetään yhä enenevässä määrin eri tieteenalojen yhteistyönä. FinnSight 2015 kehottaa suomalaista materiaalitutkimusta panostamaan uusimpien materiaalien ja osin vielä tuntemattomien edistyneimpien ominaisuuksien kartoittamiseen.

Uudet materiaalit ovat nykyisin luonteeltaan tyypillisesti staattisia. Ne koostuvat osista, joilla on tietty funktio tai ominaisuus, mutta materiaalit eivät kokonaisuutena reagoi ympäristöönsä. Ohjelmoitavat materiaalit rakentuvat sitä vastoin sellaisista komponenteista, jotka reagoivat ohjelmoidusti, halutulla tavalla, ympäristön ärsykkeisiin ja signaaleihin. Sen mukaan, mikä näiden komponenttien alkutila tai koodi on, voidaan kontrolloidusti tuottaa erilaisia monimutkaisia, jopa makroskooppisia rakenteita.

Ohjelmoitavat materiaalit muodostavat uuden, nousevan tutkimusalan, jonka kehityksessä Suomi voi toimia aloitteentekijänä. Materiaalien ohjelmoitavuus kehittyy jatkuvasti mm. nano- ja biotekniikan myötä. Ohjelmoitavat materiaalit voivat mullistaa funktionaalisten materiaalien käytettävyyden. Ohjelmoitavilla materiaaleilla on sisäänrakennettu kyky prosessoida ympäristöltään saamaansa tietoa, ja niillä on sovelluskohteita sekä mikroskooppisissa että makroskooppisissa systeemeissä. Materiaalitutkimus on erittäin keskeinen alue myös useiden strategisen huippuosaamisen keskittymien (SHOK) alueella.

Tavoitteet

Tutkimusohjelmassa pyritään tavanomaista korkeampaan tieteelliseen kunnianhimoisuuteen. Ohjelman ensisijaisena tavoitteena on tuottaa kansainvälisesti merkittäviä uusia avauksia ohjelmoitavien materiaalien tutkimuksessa. Tämä edellyttää tutkimushankkeissa työskentelevien ryhmien vahvaa sitoutumista tutkimussuunnitelman tavoitteisiin. Tutkimusohjelmassa on tarkoitus synnyttää uutta tutkimusyhteistyötä, jonka tuloksena tulee syntyä korkean vaikuttavuuskertoimen omaavissa sarjoissa julkaistuja artikkeleita.

Ohjelmoitavat materiaalit on käsitteenä vielä melko uusi alue. Tämä on Suomelle aivan erityinen mahdollisuus, koska alalle ei vielä ole muodostunut vakiintuneita menetelmiä standardeista puhumattakaan. Suomen materiaalitutkimusyhteisön vahvuutena on hyvä keskinäinen verkottuminen, myös teollisuuden kanssa. Lisäksi kansainväliset kontaktit ovat maassamme erittäin hyvät ja vakiintuneet, mistä ovat osoituksena monet materiaalitutkimuksen alan menestyksekkäät kansainväliset yhteishaut Akatemian ja esim. Venäjän ja Japanin kanssa. Suomen tutkijayhteisö tietää, mitä maailmalla tapahtuu. Tämän tutkimusohjelman tavoitteena on auttaa löytämään alueita, joilla Suomi voi olla maailman eturintamassa.

Tutkimussuunnitelmien tieteelliseen laatuun sekä hakijoiden kompetenssiin kiinnitetään erityistä huomiota. Tavoitteet on asetettava kansainväliseen tasoon verrattuna korkealle, nykyisen state-of-the-artin yläpuolelle. Tekijöillä tulee olla tähän riittävä kompetenssi ja valmius siirtyä uusille alueille. Hankkeisiin liittyvät epäonnistumisen riskit on tiedostettava.

Tutkimushankkeiden tuloksena voi syntyä uusia materiaaleja tai menetelmiä, joita tulevaisuuden materiaalitutkimus voi edelleen kehittää. Vähintään yhtä tärkeää on lisätä ymmärrystä uudentyyppisten materiaalien ominaisuuksista tutkimushypoteeseja testaamalla. Tutkimusohjelmaan valittavien hankkeiden tulee pyrkiä entistä syvällisempään ymmärrykseen tutkittavista ilmiöistä sekä sisältää uudenlaisia monitieteisiä näkökulmia. Tutkimusohjelmassa yhdistetään suomalaista huippuosaamista eri tieteenaloilta. 

Suomen Akatemian tutkimusohjelmille yhteisten tavoitteiden mukaisesti kannustetaan tutkijoiden kansainvälisen yhteistyön lisäämistä. Erityisen tärkeää tämä on nuorten tutkijoiden osalta. Eturintamatutkimuksessa kansainvälisen yhteistyön merkitys maailman huippuryhmien kanssa korostuu. Yhteistyö tällaisten ryhmien kanssa ja liikkuvuus ryhmien välillä on ohjelman tavoite.

Aihealueet  

Tutkimusohjelmaan sisällytettävät hankkeet voivat olla puhdasta materiaalien perustutkimusta ilman suoranaista sovelluskohdetta. Toisaalta on mahdollista kehittää uusia materiaaleja tai niiden ominaisuuksia johonkin tiettyyn tarkoitukseen. Ohjelmoitavilla materiaaleilla on käyttökohteita esimerkiksi lääketieteen, tieto- ja informaatioteknologian, biotekniikan ja energiatekniikan sovelluksissa. Tutkittavien systeemien voi ajatella olevan yhtä hyvin mikro- kuin makroskooppisia.

Tutkimusohjelman hankesuunnitelmissa tulee tuoda esille, miten esitetty menetelmä tai teknologia muuttaa tai parantaa nykyisiä ja mitä etua sen käyttämisestä on. Erityisesti on esitettävä, miten ohjelmoitavuuden käsite ymmärretään kyseisessä tutkimuksessa ja miten hakijat perustelevat hankkeen kuulumisen juuri tähän ohjelmaan. Ongelmalähtöisissä hankkeissa eri alojen tutkimusryhmien yhteistyö voi olla erityisen hedelmällistä, kun samaa ongelmaa lähestytään eri suunnista. Hankkeeseen on tärkeää sisällyttää tarvittava eri alojen korkeatasoinen asiantuntemus. Ongelmalähtöiset hankkeet ovat usein eri tutkimusryhmien yhteisiä konsortioita, mutta ilmiölähtöiset tutkimushankkeet voivat olla myös pienempiä.

Ohjelmoitavuuden käsite materiaaleissa voidaan ymmärtää hyvin monella tavalla. Tässä ohjelmassa ei haluta ennalta rajata käsitteellisesti mitään ohjelmoitavuuden määritelmää pois. Seuraavassa on kuitenkin esimerkkien kautta tarkasteltu ohjelmoitavuuden mahdollisia sovellusalueita:

• Itseorganisoituvuus voidaan ohjelmoida aineeseen halutun rakenteen aikaansaamiseksi.
• Sisäänrakennettu rakenteen ja toiminnan vuorovaikutus antaa mahdollisuuden myös kytkeä pois joitain ominaisuuksia, käyttämällä reagoivia elementtejä kuten molekylaarisia reseptoreita tai kytkimiä.
• Anturien tai lääketieteellisten materiaalien suunnittelussa ohjelmoitavuus tuo ilmeisiä hyötyjä, esimerkiksi kalliiden tai ympäristöystävällisten komponenttien toiminnan palautuminen voi olla osa ohjelmoitua käytöstä.
• Esimerkkejä ohjelmoitavuudesta voi löytää siirryttäessä biologisista materiaaleista biologisia toimintoja jäljitteleviin materiaaleihin. Sovelluskohteita voivat olla ihmisen varaosat ja ympäristöön reagoivat antiseptiset tai antibakteeriset materiaalit.

Yhteistyö

Ohjelmaa valmistellaan Suomen Akatemian usean tieteellisen toimikunnan yhteistyönä. Keskusteluja näydään luonnontieteiden ja tekniikan, biotieteiden ja ympäristön sekä terveyden tutkimuksen toimikunnissa. Ohjelma-aloitteella on yhtymäkohtia Tekesin Funktionaaliset materiaalit teknologiaohjelmaan.

Materiaalien ohjelmoitavuus on nouseva, jopa aivan uusi ala. Tavoitteena on olla mukana kansainvälisen kehityksen eturintamassa ja tehdä yhteistyötä parhaiden kansainvälisten ryhmien kanssa. Erityisen vahvoja maita ovat USA, Japani, Venäjä ja Intia sekä eräät Euroopan maat. Lisäksi Kiinassa materiaalitutkimus on vahvassa nousussa.