18.2.2016

Nanotekniikka, sääntöjen rikkoja

Tohtorikoulutettava Patrik Laiho Aalto-yliopiston Teknillisen fysiikan laitokselta tuli pitämään nanotekniikan tietobreikkiä koulullemme, Lahden lyseolle. Laiho on diplomi-insinööri ja hänen tavoitteenaan on väitellä ensi talvena. Laiho on ollut myös vaihto-opiskelijana Lundin yliopistossa Ruotsissa.

Kuuntelemassa oli suurimmaksi osaksi opiskelijoita matemaattis-luonnontieteelliseltä linjalta sekä ensimmäiseltä, toiselta että kolmannelta vuosikurssilta. Joukossa oli myös muutama opiskelija muilta linjoilta. Laiho mainitsi painottavansa tilausuudessaan oman alansa asioita, jotka liittyvät muun muassa nanohiilten tutkimiseen. Nanotekniikkaan liittyy niin paljon asioita, että on mahdoton käsitellä kaikkea niin lyhyessä ajassa. Itse lähdin täysin puhtaalta pöydältä kuuntelemaan esitystä ja sain paljon uutta mielenkiintoista tietoa.

Mitä nanotekniikka on?

Nanotekniikka on sellaisten rakenteiden, joiden jokin mitta on 1-100 nm, hallittua tuottamista ja näiden laadullisten muutosten ja ominaisuuksien hyödyntämistä. Kokoluokka on muutamia kymmeniä atomeita. Tässä kokoluokassa klassisen mekaniikan kaikki ”säännöt” eivät aina päde, joten nanotekniikassa hyödynnetään näiden sääntöjen ”rikkomista”. Esimerkiksi tunneloitumisessa elektronit voivat läpäistä äärellisen korkuisia potentiaalivalleja, vaikka niillä ei ole klassisen mekaniikan mielessä riittävästi energiaa.

Miksi nanotekniikkaa tutkitaan?

Nanoteknologiassa on kyse tutkimusmenetelmien ja teknologian kehittämisestä. Esimerkiksi nykyisissä LED-valoissa hyödynnetään nanotekniikkaa ja sitä on kaikkialla ympärillä. Perinteinen kiinteän aineen fysiikka tai atomifysiikka eivät kuvaa tyydyttävästi näissä rakenteissa tapahtuvia laadullisia muutoksia. Aiemmin mainittu tunneloituminen hallittuna mahdollistaa jopa yksittäisten elektronien liikkeen hallinnan.

Miten nanorakenteita tuotetaan?

Nanorakenteita tuotetaan muun muassa litografialla, itsejärjestäytymisellä ja kasvattamalla ohutkalvoja. Litografia tarkoittaa eräänlaisen painomenetelmän käyttöä. Itsejärjestäytymiseen kuuluvat muun muassa DNA-origamit, joissa sopivasti valitut DNA-palikat linkittyvät yhteen ja muodostavat kuvioita, esimerkiksi hymiöitä. Laiho kertoi näistä kyseisistä tavoista meille paljon tarkemmin, mutta itse kerron kuitenkin vain pääpiirteet.

Kvanttimekaniikka

Saimme kuulla myös kvanttimekaniikasta ja siihen liittyvistä käsitteistä, jotka olivat ainakin minulle uusia, esimerkiksi kvanttikarsina, kvanttirajoitus ja kvanttipisteet. Kvanttikarsina voidaan rakentaa esimerkiksi tunnelointimikroskoopilla atomeista. ”Karsina näyttää elektronista äärettömän suurelta montulta, josta se ei pääse pois” Laiho sanoo.

Kvanttirajoitus (englanniksi quantum confinement) tarkoittaa, että kappaleen jonkin mitan ollessa riittävän pieni, elektronit niin sanotusti näkevät sen suunnan äärellisen levyisenä potentiaalikuoppana. Kvanttipisteistä puhuessaan Laiho kertoi pienten nanohiukkasten olevan näkyvän valon sironnan mielessä käytännössä läpinäkyviä.

Nanotekniikan tutkimuksen historia

Saimme kuulla myös nanotekniikan aikajanasta, joka alkoi Richard Feynmanin motivaatiopuheesta 1959 – nanotekniikaksi laskettavia keksintöjä oli tehty toisaalta jo aiemminkin. Tämän jälkeen tuli paljon uusia löytöjä ja keksintöjä tehneitä henkilöitä. Vuonna 1974 sanaa nanotekniikka alettiin käyttää kuvaamaan tuolloin uusia ohutkalvokasvatus- ja ionisuihkutekniikoita. Osa keksinnöistä on Laihon mukaan tehty puolivahingossa tai tavoiteltaessa jotakin muuta. Vuonna 1999 Bill Clinton aloitti kansallisen nanotekniikan rahoitusohjelman, jolloin suunnilleen alkoi nykyinen, edelleen jatkuva ”nanotekniikkabuumi”.

Nanohiilet

1980-luvulta alkaen hiilen uusia muotoja eli allotrooppeja alkoi löytyä enemmän kuin aiemmin. Näillä uusilla rakennemuodoilla on luonnostaan nanomittakaavan rakenne, joten niitä voi käyttää nanotekniikassa rakennuspalikkoina. Jos grafeenilevyn leikkaa kapeaksi nauhakasi syntyy sähköisiltä ominaisuuksiltaan yksiulotteinen ”kvanttijohto”. Yksiseinäinen hiilen nanoputki syntyy, kun tällainen nauha suljetaan reunaltaan (ei käytännössä, mutta sähköisten ominaisuuksien mielessä). Laiho kertoi nanohiilten kasvattamisesta, johon on useita tapoja. Nanohiiliä syntyy periaatteessa kaikissa palamisreaktioissa, esimerkiksi dieselmoottorissa. Saimme tietoa myös nanoputkien agglomeraatiosta eli kimppuuntumisesta, joka on yleensä ei-toivottua, sillä se sotkee putkien sähköisiä ja optisia ominaisuuksia vaikeasti ennakoitavalla tavalla.

Kysymykset

Lopuksi oli kysymysten vuoro, joita kylläkin esitettiin kesken tilaisuuttakin sitä mukaa kuin asioita tuli mieleen. Yhdessä kysymyksessä Laiholta kysyttiin, miten paljon he ovat tekemisissä esim. muiden yliopistojen ja yritysten kanssa. Tähän Laiho vastasi, että heidän tutkimustaan kaupallistetaan yrityksissä ja toisaalta yrityksillä (esimerkiksi IBM:llä) on yliopistoja vastaavaa tutkimusta tekeviä omia laboratorioita.

Seuraavaksi kysyttiin: ”Kuinka paljon kokeellista vs. kirjallista työtä teette?”. Laiho kertoi olevansa periaatteessa kokeellinen fyysikko. Tulosten analysointiin ynnä muuhun kirjalliseen menee noin yksi päivä viikossa. Viimeisenä kysyttiin:”Liittyykö nanoteknologia poliisitoimintaan ynnä muuhun sellaiseen, vaikka DNA:n tutkintaan?”. Laihon mukaan sellaista on suunnitteilla, esimerkiksi DNA:ta voidaan periaatteessa lukea nopeasti vetämällä se nanokokoisen aukon läpi, mutta käytännössä ei vielä.

Kuten jo aikaisemmin mainitsin, sain esityksestä paljon uutta mielenkiintoista tietoa. On hyvä oppia lisää asioista, jotka eivät välttämättä ole isoimpia ajankohtaisia keskustelunaiheita. Esitys oli varmasti hyödyllinen muillekin kuuntelijoille, sillä monet meistä matemaattis-luonnontieteellisen linjan opiskelijoista ovat kiinnostuneita fysiikasta.

Teksti:Maarit Räty, Lahden lyseo
Kuvat: Kiia Karipohja, Lahden lyseo

Viimeksi muokattu 8.6.2017

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, joka kertoo yleistajuisesti Akatemian rahoittamasta tutkimuksesta sekä tieteestä ja tutkimuksesta yleensä. Sivuille kootaan muun muassa tutkijahaastatteluita, tieteen yleisötapahtumia, tiedeuutisia ja tutkimuksesta kertovia taustajuttuja.

Seuraa meitä:

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
terhi.loukiainen@aka.fi

Lisätietoja Suomen Akatemiasta www.aka.fi