Nanofotoniikan huippututkimusta teknologisia tavoitteita seuraten

15.1.2014

Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) Optoelektroniikan tutkimuskeskus (ORC) on Suomen johtava nanofotoniikan tutkimuskeskus. ORC on myös siirtänyt aktiivisesti kehittämiään nanofotoniikan teknologioita teollisuuden käyttöön. Vastikään ORC:llä avattiin uusi nanomateriaalien tutkimuslaboratorio NanoMAT. Sen laitteisto on kansainvälisesti ainutlaatuinen.

TTY:n uudella spektromikroskopialaitteella hallitaan tarkemmin nanomateriaalien ominaisuuksien, rakenteen ja valmistuksen välisiä riippuvuuksia. Lisäksi NanoMAT-laboratorioon kuuluu nanomateriaalien valmistusmenetelmä ALD, mikä mahdollistaa tasaisten ja tarkkarajaisten ohutkalvojen kasvatuksen nanofotoniikkamateriaalien pinnoille ja rajapinnoille. ORC:llä toimivan Pintatieteen laboratorion johtaja Mika Valden kertoo, että laitteisto on kansainvälisesti ainutlaatuinen.

"Laitteiston ainutlaatuisuus perustuu sen tekniseen suorituskykyyn sekä siihen, että laitteistoon voidaan liittää erilaisia valmistusmenetelmiä. Näin vältetään se, että materiaalit pitäisi valmistaa muualla ja kuljettaa tutkittavaksi toisaalle", Valden selvittää.

ORC:ssä valmistetaan valoa tuottavia yhdistepuolijohderakenteita atomikerros kerrallaan. Valdenin mukaan korkeatasoisessa nanofotoniikan tutkimuksessa uusi tutkimuslaitteisto on välttämätön. Nanofotoniikassa yhdistyvät valon tuotto ja hallinta.

"Esimerkiksi CD-soittimista, viivakoodinlukijoista, tutkista ja mobiiliteknologiasta löytyy arkipäiväisiä nanofotoniikan sovelluksia."

NanoMAT-laboratorion spektromikroskopiamenetelmä mahdollistaa nanorakenteisten materiaalien pintakoostumuksen ja elektronisten ominaisuuksien kuvantamisen pintaherkästi. Alle viiden nanometrin syvyydeltä tulee 95 prosenttia tutkimus informaatiosta.

"Pintatieteen laboratorio siirtyi osaksi ORC:tä noin kaksi vuotta sitten, sillä pintatieteen asiantuntijuutta tarvitaan nanoteknologiassa. Laitteistolla voidaan kuvantaa materiaalien pintojen uloimpien kerrosten alkuainejakaumia, alkuaineiden yhdistemuotoja sekä elektronisia tiloja. Niillä on merkittävä vaikutus materiaalien ominaisuuksiin ja sitä kautta sovelluksiin."

Laitteiston rakentaminen alkoi Valdenin johdolla vuonna 2011. Laitteisto hankittiin Suomen Akatemian ja TTY:n yhdessä myöntämällä 1,97 miljoonan euron rahoituksella.

Keinotähti- ja lääketieteen sovelluksia

Erilaisten nanomateriaalien lisäksi NanoMAT-laboratoriossa tutkitaan esimerkiksi uusia aurinkokennomateriaaleja. Kerrostamalla yhdistepuolijohdemateriaaleja saadaan aurinkokennot sitomaan valon eri aallonpituuksia entistä paremmin. ORC:n johtaja Pekka Savolaisenmukaan tulevaisuudessa voidaan tuottaa halpaa uusiutuvaa energiaa aurinkovoimaloissa tai satelliittien aurinkopaneeleissa.

"Laboratoriota hyödynnetään pyrkimyksissä kehittää korkean hyötysuhteen omaavia aurinkokennoja", Savolainen sanoo.

Nanofotoniikan taustalla on laserin huima kehitys.

"Monet lasersovellukset voivat vaikuttaa äärimmäisen kaukaisilta kuten uusimmista saavutuksistamme tehokas keltainen laser, jota hyödynnetään teleskooppien kohdistuksessa ja kuvanlaadun parantamisessa tuottamalla keinotähden kaltainen valoilmiö uloimpiin ilmakehän kerroksiin. Mutta esimerkiksi lääketieteen tarpeisiin kehitetyt lasersovellukset palvelevat jokaiselle tärkeää terveydenhuoltoa."

NanoMAT-laboratoriossa tutkitaan myös muita lääketieteen aiheita kuten biohajoavia komposiittimateriaaleja. Vaikkapa luunmurtumasta kärsivälle potilaalle voidaan kehittää implantti, jonka pinta vapauttaa lääkeainetta hallitusti ja joka hajoaa luontaisesti kehossa paranemisen edetessä. Valden lisää elintarviketeollisuuden diagnostiikan teräsmateriaalien biofunktionalisoimisen sovellusalueeksi biohajoavien implanttimateriaalien lisäksi.

"Metalliseosmateriaalien biofunktionalisoinnilla pyritään tekemään pinta toiminnallisesti aktiiviseksi. Teräspinnalle voidaan rakentaa biofunktionaalisia molekyylirakenteita, ja viedä ne elimistöön edesauttamaan parantumisprosesseja kuten nivelten korjautumista."

Spin-off-yrityksiä ja yhteistyöverkostoja

ORC on menestyksekkäästi siirtänyt kehittämiään teknologioita teollisuuden käyttöön. Parhaillaan se koordinoi projektia, jolla tavoitellaan fotoniikan tutkimusryhmien ja yritysten muodostamaa aktiivisesti toimivaa foorumia. Pekka Savolaisen mielestä yhteistyön merkitys kasvaa koko ajan.

"Jotta pystytään tekemään parhaita mahdollisia sovelluksia, täytyy tehdä laaja-alaista yhteistyötä useiden eri tahojen kanssa", Savolainen sanoo.

"Pyrimme myös parantamaan spin-off-yritysten toiminta- ja kasvumahdollisuuksia.

Esimerkiksi spin-off-yritys Tutcore Oy, sittemmin Coherent Finland Oy kaupallisti ensimmäisenä yrityksenä maailmalla alumiinivapaat puolijohdelaserit. Alumiinivapaalla lasermateriaalilla saavutettiin merkittäviä etuja kilpaileviin alumiinipitoisiin materiaaleihin verrattuna. Vuonna 1991 perustettu Tutcore Oy oli ensimmäinen spin-off -yrityksemme."

Laservalmistaja Modulight Oy tähtäsi alun perin tietoliikennekomponentteihin, mutta on siirtänyt toimintaansa koko ajan enemmän laserlaitteisiin ja sovelluksiin muun muassa lääketieteen ja puolustusteollisuuden aloille. EpiCrystals Oy tekee lasertuotteita muista spin-off -yrityksistä poiketen kulutuselektroniikkamarkkinoille.

"Esimerkiksi älypuhelimiin voidaan soveltaa heidän kehittämäänsä laserteknologiaa näyttämään kuvia tai videoita vaikkapa suoraan seinälle."

Mika Valdenin mielestä Suomessa olisi laajemminkin panostettava tieteellisesti huippuluokkaa olevan osaamisen kehittämiseen ja sen keskittämiseen strategisesti tärkeisiin teknologioihin. Resurssit ovat rajalliset tieteen ja tutkimuksen tukemiseksi - niitä tulisi keskittää osaamisintensiiviseen korkeaan teknologiaan. ORC:llä on tämä Valdenin mukaan hyvin oivallettu.

"ORC:llä teknologiset tavoitteet kumpuavat pitkälti perustutkimuksesta, minkä ansiosta on kyetty synnyttämään kaupallista liiketoimintaa. ORC tarjoaa kansainvälisen tason huippuosaamista teknologisesti merkittävien nanofotoniikan sovellusten tuottamiseksi."

Teksti ja henkilökuvat: Mia Hemming
Piirros: Suomen Akatemia

Julkaistu alun perin A propos -verkkolehdessä.

Viimeksi muokattu 4.5.2015
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »