EN

Luonnosta mallia materiaaleihin

24.10.2016

Evoluution tuloksena luonto on synnyttänyt materiaaleja, joilla on erityislaatuisia ominaisuuksia. Tunnettuja esimerkkejä ovat kevyet, mutta sitkeät ja lujat materiaalit, kuten simpukan kuoressa oleva helmiäinen, hyönteisten ulkoiset tukirangat ja silkki.

”Luonnon materiaaleilla on erityisiä mekaanisia ominaisuuksia, itsepuhdistuvuutta, itsekorjaavuutta ja hohtavia värejä. Monista luonnon organismeista paljastuu yhä uusia, mielenkiintoisia ominaisuusyhdistelmiä”, kertoo akatemiaprofessori Olli Ikkala

Ikkalan tutkimusala on biomimetiikka, jossa pyritään ottamaan mallia luonnon materiaaleista ja niiden ominaisuuksista. Akatemiaprofessuurinsa lisäksi Ikkala johtaa Aalto-yliopistossa Biosynteettisten hybridimateriaalien molekyylimuokkauksen huippuyksikköä. Hän toimii myös vierailevana professorina Grenoblen yliopistossa Ranskassa.

Simpukan helmiäinen kiinnostaa tutkijoita nimenomaan keveytensä, lujuutensa ja sitkeytensä vuoksi. Ominaisuudet johtuvat itsejärjestyneestä nanokomposiittirakenteesta, jossa nanoliuskeet ja polymeerit vuorottelevat kuin legopalikat.

Tällainen materiaali sopisi Ikkalan mukaan esimerkiksi moottoripyöräilijän kypärään – kypärä olisi kevyt päässä, mutta suojaisi silti hyvin vammoilta. Myös kulkuneuvoissa lujat ja kevyet materiaalit olisivat valttia, sillä keveytensä vuoksi ne säästäisivät energiaa.

Akatemiahankkeessaan vuosina 2012–2016 Ikkala on vienyt eteenpäin tutkimustaan biomimeettisistä nanokomposiiteista. Viisi vuotta sitten Ikkalan tutkimusryhmä onnistui ensimmäisenä maailmassa valmistamaan simpukan helmiäisen kaltaista lujaa itsejärjestynyttä nanokomposiittia.

”Silloin materiaalista ei vielä saatu tarpeeksi sitkeää, mutta nyt on saavutettu sitkeyttäkin. Parhaillaan kehitämme tapoja, joilla materiaalia pystyisi tekemään teollisesti.”

Luonnon itsejärjestyneiden materiaalien tarkka rakenne kasvaa hyvin pitkän ajan kuluessa, joten niiden tuottaminen teollisesti ja vauhdilla on vaikeaa. Simpukan helmiäinen syntyy meren syleilyssä, vuosien saatossa.

”Biomimeettisten materiaalien valmistusprosessin on oltava aivan erilainen kuin luonnon biologisten materiaalien. Materiaalille pitää saada halpa hinta ja nopea tuotanto, mutta silti hyvät ominaisuudet.”

Ikkala kuitenkin uskoo, ettei joidenkin biomimeettisten materiaalien teollinen tuottaminen ole kovin kaukana tulevaisuudessa:

”Kyse on pikemminkin vuosista kuin vuosikymmenistä.”

Uusia ominaisuuksia nanoselluloosaan

Ikkala on tutkinut myös mahdollisuuksia yhdistää luonnon materiaaleihin uudenlaista funktionaalisuutta. Eräs hänen tutkimuksensa kohteena olevista materiaaleista on nanoselluloosa.

Nanoselluloosan kuidut ovat keveitä, mutta vastaavat lujuudeltaan jopa terästä. Metsän puu ei silti ole mikään terästappi, vaan se pystyy kasvamaan ja taipumaan kohti valoa. Puun teräksenlujien rihmastojen välissä on myös pehmeämpää biologista ainesta, jota pitkin vesi ja ravinteet pystyvät kulkeutumaan, ja jonka ansiosta puu pystyy kasvamaan ja sopeutumaan.

”Otamme puumateriaalista sovellustemme kannalta hyödyttömän biologisen aineksen pois ja laitamme tilalle sellaista funktionaalista ainesta, josta olisi hyötyä uusissa sovellutuksissa”, Ikkala havainnollistaa.

Ikkalan tutkimusryhmä on yhteistyössä professori Esko Kauppisen tutkijoiden kanssa onnistunut kiinnittämään nanoselluloosaan hiilen nanoputkia.

”Olemme tehneet läpinäkyviä nanoselluloosakalvoja ja päällystäneet ne hiilen taipuisilla, sähköä johtavilla nanoputkilla. Tällaisesta materiaalista voisi olla hyötyä esimerkiksi taipuisassa elektroniikassa, joka tällä hetkellä tekee tuloaan kuluttajille.”

Nanoselluloosa voisi olla hyödyllistä materiaalia myös lääketieteen sovellutuksissa, sillä se voi toimia tukiverkkona soluille.  

”Olemme tutkineet mahdollisuutta käyttää nanoselluloosaa kirurgisessa langassa, jolla leikkaushaavat ommellaan kiinni. Nanoselluloosasta valmistetun langan sisällä voisi kasvattaa kantasoluja, jolloin haavan paraneminen nopeutuisi. Tutkimusta on tehty yhteistyössä Helsingin yliopiston professori Marjo Yliperttulan ryhmän kanssa.”

Yksinkertaisia versioita luonnon työstä

Luonnon tekeleiden täydellinen kopioiminen ei kuitenkaan ole mahdollista eikä edes mielekästä, koska luonto on hyvin monimutkainen.

”Ihmisen tekemät materiaalit ovat yleensä yksinkertaisia, ja niillä on yksinkertaisia ominaisuuksia. Luonnossa materiaalit ovat rakenteeltaan monimutkaisia – niissä on erilaisia rakenteita ja toimintoja sisäkkäin ja ristikkäin.”

Luonnon materiaalien funktionaaliset ominaisuudet – kuten simpukan helmiäisen lujuus – perustuvat molekyylien ja rakenneosasten itsejärjestäytymiseen.

”Itsejärjestymisessä rakennetieto ikään kuin koodataan järjestyvien osasten sisäisiin vuorovaikutuksiin. Luonto hoitaa tämän tyylikkäästi esimerkiksi proteiiniketjujen toistoyksiköiden järjestyksen avulla.”

Luonnon menetelmässä vaihtoehtoja on Ikkalan mukaan niin paljon, ettei luonnon koodin yhteys toteutuvaan rakenteeseen täysin aukene tutkijoille. Biomimetiikassa luonnon menetelmää pyritäänkin soveltamaan yksinkertaisemmin: molekyylien ja rakenneosasten itsejärjestäytymisestä kopioidaan niitä osasia, joiden toimintaa voidaan suunnitella ja ymmärtää, ja jotka tuntuvat hyödyllisimmiltä.

Biomimetiikassa pyritään ”poimimaan rusinat pullasta”, Ikkala summaa.

Monitieteisyys tuo haasteita

Isoimman haasteen biomimetiikan tutkimukselle antaa Ikkalan mielestä alan monitieteisyys. Biomimetiikassa tarvitaan ymmärrystä ainakin fysiikasta, kemiasta, materiaalitieteestä, geenitekniikasta ja biologisista organismeista. Ikkalan tausta on vahvasti fysiikassa.

”Yksi ihminen ei mitenkään voi tietää kaikesta. Sen vuoksi tällainen tutkimus on jatkuvaa epävarmuutta. Pitää löytää luotettavia yhteistyöverkostoja ja yhteistyökumppaneita, joiden kanssa näitä asioita voi miettiä yhdessä.”

Yhteinen kieli eri alojen tutkijoiden välillä ei kuitenkaan ole mikään itsestään selvyys.

”Aloitimme nanoselluloosatutkimuksen jo vuonna 2003 yhdessä puunjalostustekniikan tutkijoiden kanssa, mutta kesti varmaan viisi vuotta, ennen kuin opimme ymmärtämään toisiamme.”

Tulevaisuudessa Ikkala aikoo ottaa askeleen eteenpäin ja suunnata mielenkiintonsa elottomien materiaalien lisäksi elollisiin organismeihin.

”Elollisten organismien toiminta perustuu siihen, että ne saavat energiaa. Seuraavaksi haluan tehdä aivan uudenlaisia biomimeettisiä materiaaleja, joihin syötetään energiaa uusien ominaisuuksien saavuttamiseksi”, Ikkala paljastaa.

Teksti: Tea Kalska
Kuva: Pekka Kiirala

Viimeksi muokattu 24.10.2016
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 »