Nanohiili taipuu uusiksi materiaaleiksi
4.5.2010
 |
| ”Nanohiilimateriaaleille löytyy lukuisia sovelluksia. Materiaaleja voidaan käyttää kosketusnäytöissä, taipuisissa kännyköissä ja elektronisissa lukulaitteissa”, professori Esko Kauppinen sanoo. |
Nanohiilitutkimusta tehdään parhaillaan kiivaasti eri puolilla maailmaa. Eikä ihme, onhan tutkimuksen tuloksena kehitettäville materiaaleille luvassa lukuisia sovelluksia erityisesti elektroniikkateollisuudessa. Suomessa alan tutkimus on hyvässä vauhdissa.
Nanohiiltä pidetään yhtenä lupaavimmista nanomateriaalitutkimuksen aloista. Sen pohjalta kehitettäville uusille materiaaleille nähdään jo nyt runsaasti käyttömahdollisuuksia niin uusien akkujen kehittämisessä, lääkeaineiden annostelussa, taipuisien matkapuhelinten ja näyttöjen suunnittelussa kuin esimerkiksi entistä tehokkaampien aurinkopaneelien rakentamisessa.
Suomalaiset tutkijat ovat alan tutkimuksessa eturintamassa. Professori Esko I. Kauppisen johdolla vuonna 2007 kehitetty nanonuppu on alan uusimmista keksinnöistä merkittävimpiä. Nanonupussa hiilen pallomolekyylit eli fullereenit yhdistetään nanoputkiin. Tuloksena on uusi hiilen yhdistelmämateriaali. Keksinnön ansiosta nanoputkien ominaisuuksia voidaan olennaisesti parantaa.
Nanonuput ovat tähän mennessä lupaavin materiaali esimerkiksi näyttötekniikoihin, sillä ne yhdistävät pallomolekyylien reaktiivisuuden ja hiilen nanoputkien sähköiset, optiset ja mekaaniset ominaisuudet. Kauppisen keksintö on keskeinen etappi nanohiilitutkimuksessa, jonka aikaisempia merkkipaaluja ovat Nobelilla palkittu pallomolekyylin keksiminen USAssa vuonna 1985 ja hiilen nanoputken keksiminen vuonna 1991 japanilaistutkijoiden voimin.
Nanonuppu löytyi, kun Kauppisen ryhmä tutki hiilen nanoputkien syntymekanismeja ja otti niistä runsaasti atomitason elektronimikroskooppikuvia. Katsottuaan satoja kuvia ryhmä havaitsi usein putkien pinnoilla pallomaisia rakenteita, joiden määrää opittiin myös säätämään muuttamalla tuotantoprosessin olosuhteita. ”Päättelimme, että pallot putkien pinnalla ovat fullereeneja, ja aloimme kutsua materiaalia nanonupuksi, koska se muistuttaa aukeamaisillaan olevaa nuppua kukan varressa”, Esko Kauppinen Aalto-yliopiston Teknillisestä korkeakoulusta kuvailee.
Etuna hyvä sähkönjohtavuus
”Nanomateriaalien synteesiä on tutkittu jo 1990-luvun alusta alkaen ja pyritty kehittämään sellaisia materiaaleja, joilla olisi mahdollisimman paljon sovelluksia”, Esko Kauppinen sanoo. Tällä hetkellä jo käytössä olevia uusien materiaalien sovelluksia ovat tehokkaammat litium-akut sekä sähköä johtavat ohuet kalvot.
 |
Nanonuppuja tuotetaan kahdella jatkuvatoimisella prosessilla, jossa raudan nanohiukkaset hajottavat hiilimonoksidimolekyylejä vapauttaen hiiliatomeja. Ne järjestyvät samanaikaisesti nanoputkiksi ja fullereeneiksi nanohiukkasen pinnalle. Kaasuseosta muuttamalla saadaan aikaan erilaisia putkia ja nuppuja.
|
Nanonuput ovat nanoputkiakin parempia elektroniikkalähteitä, ja niiden fullereenien reaktiivisuus antaa uusia mahdollisuuksia kehittää kestäviä yhdistelmämateriaaleja. Matkapuhelin- ja elektroniikkateollisuus kehittää parhaillaan intensiivisesti muun muassa taipuisia matkapuhelimia ja läpinäkyviä näyttöjä, joissa hyödynnetään nanohiilimateriaaleja.
Nanohiilimateriaaleja voidaan käyttää myös esimerkiksi aurinkopaneeleissa, kosketusnäytöissä, elektronisissa kirjoissa ja transistoreissa. Myös sähköautojen akut ovat yksi esimerkki alan sovelluksista.
”Nanohiilimateriaaleissa on erinomaista se, että ne johtavat hyvin sähköä ohuinakin kalvoina. Siksi ne sopivat erinomaisesti tietokoneisiin ja matkapuhelimiin sähköä johtaviksi kalvoiksi”, Esko Kauppinen kertoo.
Parhaillaan Kauppisen ryhmä tutkii muun muassa hiilen nanonuppujen optisia ominaisuuksia ja kehittää niiden optisia sovelluksia yhdessä venäläisten tutkijoiden kanssa. Hanke on osa Akatemian nanotieteen tutkimusohjelmaa FinNanoa. Kauppisen mukaan venäläisryhmä valikoitui tähän työhön yhteiskumppaniksi vahvan optisen tutkimuksen osaamisensa ansiosta.
”Selvitämme hiilinanoputkien ja -nuppujen rakennetta ja materiaalien ominaisuuksia laseroptiikan ja läpäisyelektronimikroskoopin avulla. Venäläisillä on tällä osa-alueella perinteisesti vahva asema. Optiikka on tässä tutkimuksessa työväline, mutta hiilinanoputkitutkimusta voidaan käyttää hyväksi myös optiikkaa kehitettäessä muun muassa optoelektroniikan sovelluksissa.”
Kansainvälinen yhteistyö välttämätöntä
Ryhmä tekee runsaasti kansainvälistä yhteistyötä myös lukuisien muiden maiden tutkijoiden kanssa. Kauppinen johtaa muun muassa laajaa EU:n puiteohjelman hanketta, jossa on tutkittu esimerkiksi typen lisäämistä nanoputkien rakenteeseen. Myös USAn, Japanin ja Kiinan kanssa yhteistyö on jatkunut jo vuosia, sillä näissä maissa on vahvaa alan tutkimusta ja osaamista.
”Kansainvälinen yhteistyö on alan tutkimuksessa välttämätöntä, sillä materiaalitutkimus muodostaa valtavan ketjun erilaisia osaamisalueita. Kukin tutkimusryhmä osaa periaatteessa vain jonkun osan ketjusta. Kansainvälisen yhteistyön ansiosta saamme käyttöömme toisten tutkimusryhmien tiedon ja osaamisen. Opiskelijoidenkin kannalta tämä on hyvä.”
Suomalaisten vahvuutena tässä ketjussa on mm. nanohiilten synteesien kehittäminen ja nanografeenien perustutkimus. Kauppisen oma ryhmä on tunnettu juuri synteesiosaamisestaan sekä kyvystä kasvattaa hyvälaatuisia nanoputkia hallitusti. Ryhmän vahvuuksia ovat myös mikroskopian osaaminen ja ohutkalvotekniikan hallitseminen.
Kauppinen pitääkin tärkeänä sitä, että Akatemian kansainvälisten yhteistyöverkostojen ja -sopimusten kautta tutkimusryhmille avautuu runsaasti mahdollisuuksia yhteistyöhön. ”Myös tutkimusohjelmat toimivat hyvin tässä mielessä. Esimerkiksi meidän kohdallamme monet nykyiset kansalliset ja kansainväliset yhteistyökuviot luotiin jo Tulevaisuuden elektroniikka -tutkimusohjelman aikana ja ne ovat edelleen jatkuneet nyt FinNano-ohjelmassa.”
Tutkimusohjelmaa Kauppinen pitää hyvänä siinäkin mielessä, että se kokoaa alan tutkimushankkeet yhteen ja tarjoaa kohtuullisen pitkäaikaisen rahoituksen tutkimukselle.
Pitkäjänteistä tieteellistä työtä
Vaikka nanomateriaalien tutkimuksessa sovellukset siintävät jo hyvinkin lähellä ja tulevaisuuden mahdollisuudet vaikuttavat myös kaupallisesti houkuttelevilta, korostaa Kauppinen syvällisen perustutkimuksen merkitystä tämänkin alan kehityksen perustana.
”Perustutkimus on kaiken a ja o, ja syvällinen perustutkimus vaatii aikaa”, Kauppinen korostaa ja pitää tutkimukselle välttämättömänä pitkäkestoista tutkimusrahoitusta. ”Tutkimustyössä itsenäisyys on tärkeää ja sen Akatemian rahoitus on meille kyennyt turvaamaan. Se on ollut hankkeillemme elintärkeää.”
Esko I. Kauppisen ja Osmo Kuusen Eduskunnan tulevaisuusvaliokunnalle tekemässä juuri ilmestyneessä nanohiili-raportissa arvioidaan monesta näkökulmasta nanohiilitutkimusta ja nanomateriaalitutkimuksen sovelluksia sekä niiden markkinoita tulevaisuudessa. Muun muassa alan kansainvälisten huippututkijoiden haastatteluihin ja patenttitilastojen arviointiin perustuen raportissa arvioidaan, että Suomi voisi vuonna 2030 ottaa maailman nanoputkimarkkinoista noin prosentin siivun.
Tämä edellyttäisi vahvaa panostamista alaan. Mahdollisuus isompaankin markkinaosuuteen olisi suomalaisten hyvän elektroniikkaosaamisen ansiosta. Suomessa tuotettu arvonlisä sovelluksista voisi arvioiden mukaan olla siten miljardin dollarin luokkaa.
Aalto yliopiston Teknisellä korkeakoululla ja Kauppisella on kokemusta myös hiilinanoputkien ja -nuppujen kaupallistamisesta ja niiden viemisestä teollisen tuotannon mittakaavaan vuonna 2004 perustetun Canatu -yrityksen kautta. Spin-off -yritys valmistaa nanomateriaaleista eletroniikan ja optiikan komponentteja, tärkeimpänä tuoteryhmänä uudentyyppiset ohutkalvot. Red Herring -lehden valitsemien parhaiden teknologiayritysten listalle tammikuussa noussut Canatu työllistää 7 henkeä.
Esko Kauppisen kokemuksen mukaan tutkimustiedon kaupallistaminen ja tuotannollisen toiminnan aloittaminen on vaativa tie.
”Perustutkimus on kaiken a ja o, mutta julkaisu ja patentti ei vielä tuo onnistumista tai menestystä kaupallisilla markkinoilla. Yrityksen perustaminen ja sen toiminnan vauhtiin saaminen on iso työ. Suomessa meillä ei myöskään ole riittävästi yrittäjyyskulttuuria tutkimuksellisen tiedon viemiseksi tuotannolliseen ja kaupalliseen toimintaan.”
Monet peruskysymykset yhä auki
Parhaillaan Kauppisen mielessä siintävät jo uudet tutkimuskysymykset. Monet peruskysymykset ovat alan tutkimuksessa edelleen auki, kuten synteesin parempi ymmärtäminen tai se, miksi hiilinanoputket, -nuput ja grafeeni kasvavat niin kuin kasvavat. Se jo tunnetaan, miten niiden kasvua voi säädellä kasvatusolosuhteilla esimerkiksi kaasun ominaisuuksia säätämällä. Tutkijat haluaisivat tietää myös sen, miten pitkulaiseksi kasvavan putken saisi hallitusti kasvamaan pinnaksi.
”Myös moniseinäisten nanonuppujen tuotannon ja sovellusten kehittäminen kiinnostaa.”
Teksti: Riitta Tirronen
Henkilökuvat: Olli Häkämies
Etusivun kuva: Jyrki Hokkanen, CSC - Tieteen tietotekniikan keskus