”Suomessa ei liene aiemmin tehty materiaalikeksintöjä, joita voidaan sanoa uudeksi materiaaliksi”, professori Esko I. Kauppinen Teknillisestä korkeakoulusta (TKK) kertoo. Hiilinanonuppu on kehitetty Kauppisen johtamassa tutkimusryhmässä.

Hiilinanonupun materiaalipatentti on tällä hetkellä vetämässä. ”Ellei ole jo tullutkin”, Kauppinen lisää.

Hiilinanonuppu on kehitetty professori Esko I. Kauppisen johtamassa tutkimusryhmässä TKK:lla. (c) Anni Jakobsson

Reaktiivinen hiilinanoputki

Palataanpa alkeisosasiin: mikä ihmeen hiilinanonuppu?

Hiilinanonupussa on yhdistyneenä hiilinanoputki ja fullereeni eli hiilen pallomainen molekyyli. Hiilinanonupun monet ominaisuudet tulevat hiilinanoputkelta, joka on ominaisuuksiltaan mullistava: materiaalin grafiittisidokset ovat yli kolmanneksen vahvempia kuin timantin sidokset. Hiilinanoputkilla on myös erinomaiset sähköiset ominaisuudet: ne voivat toimia joko johteina tai puolijohteina. Hiilinanoputkista voidaan muodostaa eräänlainen putkisto. Pienillä rakenteilla voidaan saada kulkemaan suuria määriä sähköjä. Putket ovat taipuisia ja niitä on mahdollisuus yhdistää toisiinsa punoen. Hiilinanoputkien lämmönjohtokyky on parempi kuin missään muussa materiaalissa. Materiaali on myös hyvin kevyttä.

Kauppisen ryhmässä on onnistuttu yhdistämään hiilinanoputkeen fullereeni kovalenttisella sidoksella. Fullereenin avulla muutoin hankalasti reagoiva hiilinanoputki on mahdollista saada reagoimaan muiden yhdisteiden kanssa fullereenin kemiallisten ominaisuuksien avulla. Hiilinanonuppujen avulla hiilinanoputkista on mahdollista räätälöidä erilaisia ominaisuuksia ja saada ikään kuin uusi ulottuvuus: muun muassa erilaiset elektroniset ja optiset sovellukset ovat mahdollisia nanonuppujen avulla.

Kun kaikki nämä ominaisuudet ovat mahdollisia yhdessä materiaalissa, mahdollisten sovellusten määrä on huikea.

Hiilinanonuppu on hiilinanoputkeen kiinnitetty fullereeni eli hiilen pallomainen molekyyli. Nanometri on metrin miljardisosa. (c) Jyrki Hokkanen

Transistoreita ja ääntä

TKK:lla sijaitsevassa Nanotalossa tutkitaan muun muassa hiilen nanorakenteita ja nanonuppujen tuotantoa.

”Teemme esimerkiksi elektroniikkaan ja optoelektroniikkaan liittyviä sovelluksia: puolijohteita ja metallisia rakenteita hiilinanoputkista. Yksinkertaisin asia, jonka hiilinanoputkista voi tehdä, on johtava tai puolijohtava, läpinäkyvä, taipuisa ohutkalvo”, Kauppinen selittää.

Läpinäkyvästä kalvosta voi tehdä esimerkiksi läpinäkyviä transistoreita. Puolijohtava nanoputki on parempi transistorimateriaali kuin pii: se kestää suurta virtaa ja on nopea sekä erittäin pienikokoinen.

Tällä hetkellä Kauppisen ryhmässä tutkitaan muun muassa sitä, kuinka hiilinanonupuista voidaan tehdä kovaäänisiä.

”Ääntä on jo saatu aikaan”, Kauppinen kertoo.

Sähköä johtavaa betonia ilman rautaa

Hiilinanoputkia ja -nuppuja voidaan käyttää muun muassa erilaisissa uusissa energian varastointitekniikoissa, kuten aurinkokennoelektrodeissa ja polttokennon elektrodirakenteissa sekä erilaisissa akuissa. Nanoputkien avulla akkujen käyttöikä on saatu pitenemään. Akkuja voidaan ladata useita satoja kertoja ilman, että akun suorituskyky laskee. Tällaisia sovelluksia käytetään muun muassa matkapuhelimissa, kameroissa ja tulevaisuuden ekologisissa sähköautoissa.

Kauppinen luettelee lisää hiilinanoputkien soveltamiskohteita: ”Olemme kasvattaneet moniseinäisiä nanoputkia sementtihiukkasten päälle. Tällä tavalla olemme tehneet betonia, jota ei tarvitse raudoittaa ja joka on hyvin vahvaa. Pienen mittakaavan kokeilla olemme jo todistaneet, että rakenne saadaan hyvin vahvaksi ja sähköä johtavaksi. Tällaista rakennetta voisi käyttää esimerkiksi lattialämmityksen tekemiseen.”

”Nanoputkikalvon voi tehdä taipuisaksi. Konkreettisia sovelluksia ovat esimerkiksi kosketusnäytöt ja e-paperit, joita tullaan näkemään markkinoilla hyvinkin pian”, Kauppinen jatkaa.

Nanoputket kaikkialla 2025

Kauppisen ennusteen mukaan lähes kaikki ihmiset tulevat käyttämään nanoputkiin perustuvia tuotteita vuoteen 2025 mennessä.

”Tämä on hyvinkin mahdollista, jos nanoputkia tulee olemaan näytöissä ja kosketusnäytöissä. Esimerkiksi matkapuhelinten, kameroiden ja kannettavien musiikkisoittimien litium-ioniparistoissa paksuja hiilinanoputkia on jo nyt käytössä.”

Hiilinanoputkia on jo käytössä myös tennis- ja jääkiekkomailoissa. Nanoputkien avulla mailoista saadaan todella kestäviä.

Johtavissa ohutkalvomateriaaleissa hiilinanoputkilla on suuri markkinarako.

”Käytännössä jokaisessa näytössä on johtava ITO-kalvo, joka valmistetaan indiumin ja tinan seosoksidista joko lasin tai muovikalvon päälle. Viime vuosina indium-metallin hinta on lähes kymmenkertaistunut, eikä ITO-kalvosta saa kunnolla taipuvaa kalvoa joka on samalla riittävästi sähköä johtava. Myös nanoputkitelevisiot ovat tulossa. Näissä televisioissa nestekidenäytön led-taustavaloteknologia korvataan hiilinanoputkien elektronikenttäemissioon perustuvalla valolla”, Kauppinen kertoo.

Terveysvaikutuksia tutkitaan

Ei niin hienoa, ettei jotain huolestuttavaakin. Hiilinanohiukkasista on puhuttu 2000-luvun asbestina.

”Mahdollisista ympäristö- ja terveysvaikutuksista puhuttaessa on kuitenkin syytä muistaa, että jokainen palamisprosessi synnyttää ilmakehään paljon nanohiukkasia, ja niitä ihminen on aina hengittänyt. Kaikki palaminen, kuten dieselmoottorit sekä kivihiilen, öljyn, biomassan- ja jätteenpoltto, tuottavat nanohiukkasia. Myös luonnon prosesseissa syntyvät hiilivedyt ja metsäpalot tuottavat nanohiukkasia ilmakehään. Ihmiset ovat siis aina altistuneet nanohiukkasille”, Kauppinen kertoo.

”Nyt kun puhutaan uusista nanomateriaaleista, eivät ne yleensä ole nanohiukkasina ilmassa, vaan kiinnittyneinä toisiinsa ja johonkin muuhun makroskooppiseen materiaaliin, kuten esimerkiksi muoviin komposiittisovelluksissa. Näin uusien nanomateriaalien yksittäisille nanohiukkasille altistuminen hengittämällä on kovin epätodennäköistä. Todennäköisin altistus tapahtuu nanomateriaalien tuotantoprosessin aikana, jos prosessihäiriön seurauksena nanohiukkasia pääsee leviämään tuotantotilan ilmaan. Näin ollen tärkeintä on välttää vuodot tuotantoreaktorista ja noudattaa huolellisesti voimassaolevia tuotantotiloja koskevia työhygienian määräyksiä, sekä tutkia erilaisten nanomateriaalien käyttäytymistä muun muassa soluissa”, Kauppinen jatkaa.

Anni Jakobsson