Millimetrin miljoonasosat hyötykäyttöön

Nano- ja molekyylisysteemin tutkimusyksikön materiaalitutkimus on johtanut patentoituun innovaatioon, joka parantaa energiatehokkuutta. Nanomittakaava näyttelee tärkeää osaa myös ilmastonmuutoksessa. Yksikön keskeistä tutkimusmenetelmää, synkrotronisäteilyä, hyödynnetään monilla tieteenaloilla lääketieteestä historiaan.  

”Nanopartikkeleita on kaikkialla”, professori Marko Huttula sanoo ja osoittaa työhuoneensa valkoista seinää. Se saa värinsä maalissa olevista titaanioksidin hitusista, joiden koko lasketaan nanometreissä − millimetrin miljoonasosissa.

Professori Marko Huttulan johtamassa nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikössä tutkitaan nanomateriaalien fysiikkaa ja niiden muokkaamista molekyylitasolla. Yksikön tutkimuslaitteistosta osa on kehitetty itse, kuten kuvan magneettipullospektrometri (kuva Juha Sarkkinen). 

Nanokokoisia kappaleita vilisee luonnossa, mutta yhä useammin ne ovat ihmisen luomia, oli kyse sitten mikropiireistä tai ilmansaasteista.

”Maailma menee kohti nanoa, eikä sitä voi ymmärtää makrokooppisilla malleilla. Siinä koossa kvanttimekaniikka alkaa määrätä: ominaisuudet voivat muuttua hyvin nopeasti koon pienentyessä”, Huttula sanoo.

”Me lähdemme atomimittakaavasta ja pyrimme ymmärtämään nanomateriaaleja.”

 

Biomimikoitu nanopinta saa valokennot imemään enemmän valoa

 

”Me” tarkoittaa Oulun yliopiston Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikköä, noin 45 tutkijan ryhmää, jonka johtaja Huttula on. Yksikön tutkimus painottuu funktionaalisiin nanomateriaaleihin, hyötytuotteisiin, joiden toiminta perustuu nanomittakaavan rakenteisiin.

Näkyvimpänä tuloksena on patentoitu innovaatio ja sen kaupallistamiseen tähtäävä yritys, WMZ-NanoSurfaces. Kyse on valon keräämistä tehostavasta nanopinnasta, joka perustuu ”biomimikointiin” eli eliöiden jäljittelyyn.

”Evoluution ansiosta kasvit keräävät optimaalisesti auringon säteilyä. Me vain kopioimme eri kasvien lehtien pintarakenteen polymeerimuovipinnalle”, Huttula kuvailee.

Lehtien pintarakenne.

”Kun tällainen muovikalvo laitetaan valokennon päälle, valonkeruu tehostuu jopa 17 prosenttia. Energiaa ei tule mistään lisää, mutta takaisinheijastus vähenee.”

Tutkimusyksikkö julkisti havaintonsa alkuvuodesta 2015, ensimmäisenä maailmassa. Mimikoinnin kohteena ovat olleet muun muassa lootuksen ja bambun lehdet. Tässä vaiheessa menetelmänä on suora kopiointi, mutta jatkossa on tarkoitus katsoa, voisiko luonnon mallien yhdistelyllä päihittää evoluution tulokset.

Aurinkokennojen päälle laitettava kalvo tehostaa aurinkosähkön tuotantoa, mutta sopii myös kasvihuoneisiin; aurinkoenergian osuuden lisääntyminen palvelisi sekä kestävää kehitystä että kuluttajaa, kun talvivihannesten tuotanto vaatisi vähemmän ostolämpöä.

Biomimikoinnilla nanopinnasta saa myös vettähylkivän ja itsepuhdistuvan. Eikä tähtäimessä ole vain valokennojen tai lasiruutujen päällystäminen: pintarakenne on jo kopioitu suoraan lasipinnalle ja piihin. ”Itse valmistustekniikka voi mennä uusiksi”, Huttula arvioi.

Toinen biomimikointisovellus on rakenteellinen värjääminen, vanhastaan tunnettu menetelmä. Siinä haluttu väri luodaan pintarakenteen heijastusominaisuuksilla, ilman varsinaista väriainetta. Samalla tavoin toimii esimerkiksi perhosen siipi, joka näyttää siniseltä vaikkei sisällä sinisen aallonpituudella säteilevää ainetta.

 

Nanopartikkelit käyttäytyvät ilmakehässä arvaamattomasti

 

Tutkimusyksikön toinen vahva alue ovat ilmakehän nanopartikkelit. Ne vaikuttavat esimerkiksi ilmastonmuutokseen, otsonikatoon ja terveyteen.

”Tähän asti on oletettu, että ne ovat homogeenista massaa, mutta niin ei olekaan. Nanopartikkelien käyttäytyminen vaihtelee, ja ilmastomalleissa niiden osuus on suurin yksittäinen epävarmuustekijä. Esimerkiksi hiilinanopartikkelit voivat vaikuttaa joko lämmittävästi tai viilentävästi”, Huttula kertoo.

Terveysteemaa puolestaan käsittelee nanopartikkeleita terveydenhoidossa tarkasteleva väitöskirjatutkimus, jossa yhteistyökumppanina on Pohjois-Pohjanmaan sairaanhoitopiiri.

Yksikön tutkimus on muutenkin pitkälti soveltavaa.

”Oulun yliopiston prosessimetallurgian kanssa kehitämme terässulaton kontrollimenetelmiä.  Spektriä mittaamalla nähdään, mitä atomeja siellä on, millaisessa lämpötilassa ja molekyyliympäristössä. Tätä menetelmää kaupallistaa spinoff-yritys Luxmet.”

Spektrin analysointi, spektroskopia, on Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikön keskeinen työväline. Vielä tärkeämmällä sijalla on synkrotronisäteily, hiukkaskiihdyttimen kaltaisessa synkrotronissa tuotettu sähkömagneettinen säteily.

Synkrotronisäteily yltää matalan energian infrapuna- eli lämpösäteilystä näkyvään valoon ja korkeaenergiseen röntgensäteilyyn. Tutkimusmenetelmänä se kuitenkin päihittää esimerkiksi infapuna- tai röntgenkuvauksen monipuolisuudellaan, herkkyydellään ja erottelukyvyllään.

”Pystymme napin painalluksella valitsemaan synkrotronisäteilyn energiatason ja muut ominaisuudet. Lisäksi se suuntautuu erittäin pienessä keilassa eteenpäin, jolloin se on helppo kohdistaa nanometrien kokoiseen alueeseen.”

 ”Säteilyä tuottavat kiihtyvässä liikkeessä olevat elektronit, jotka poikkeutetaan radaltaan. Elektroni säteilee joka suuntaan, mutta valon nopeudessa suhteellisuusteoria iskee, ja ulkopuolisen havaitsijan näkökulmasta säteily tulee hyvin pienessä keilassa eteen”, Huttula selittää.

 

Synkrotronisäteilyllä tehdään monitieteistä tutkimusta

 

Synkrotronisäteilyä voi luonnehtia tutkimuksen perusmenetelmäksi: sitä käytetään muun muassa lääketieteessä, biologiassa, kemiassa, ympäristötieteissä, arkeologiassa ja historiantutkimuksessa.

”Sen avulla on löydetty Arkhimedeen teksti rukouskirjan tekstin alta. Oulun yliopiston apulaisprofessori Simo Saarakkala tutkii sillä osteoporoosia, ja me olemme käyttäneet sitä Luonnonvarakeskuksen näytteiden mittauksiin”, Huttula kertoo.

Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikkö tekee mittauksensa pääosin Ruotsissa, Lundin Max-laboratorioissa. Oulun yliopisto koordinoi Suomen osallistumista rakenteilla olevaan Max IV -synkrotroniin.

”Sen sisään mahtuisi Colosseum. Sellainen kannattaa toki tehdä kansainvälisenä yhteistyönä.”

Nanomateriaalien tutkimuksessa tutkijat voivat hyödyntää Ruotsin Lundissa sijaitsevan MAX IV-synkrotronisäteilylaboratorion supermikroskooppia. Synkrotronisäteily on nanopartikkelien keskeinen tutkimusmenetelmä. Kuva: Roger Eriksson, ESS

 

Teksti: Jarno Mällinen

Viimeksi päivitetty: 22.12.2016