Nanotekno-logia tulee –oletko valmis ?Teksti, kuvat ja molekyylimallinnukset:Timo-Olavi Jalkanentimo-olavi.jalkanen@databooks.compuh. 044 3450257

Supertuotteita molekyylimaailmasta ja suuria odotuksia

Nanoteknologia tulee - oletko valmis ?

Arkkitehti ja visionääri BuckminsterFuller kirjoitti vuonna 1963 kirjan Op-erating Manual for Spaceship Earth,jossa hän vertasi maapalloa avaruudessakulkevaan avaruusalukseen, jonkafossiilisia polttoaineresursseja ei voitäydentää. Hän uskoi teknologian tulevanratkaisemaan energiaongelman.“Tuottamamme saasteet ovat resurssejajoita emme hyödynnä. Annammesaasteiden levitä, koska emme ymmärräniiden arvoa”, hän sanoi. Tämän päiväninnokkaimmat uusiutuvan energianmahdollisuuksiin uskovat löytyvät juurinanoteknologian kentältä.

Utopistinakin pidetty Fuller rakensi myöspyöreitä geodeettisia kupoleita, kertoenniiden rakenteen olevan optimaalisentilavuuden ja lujuuden suhteen. Vuonna1985, kaksi vuotta hänen kuolemansajälkeen, löydettiin uusi hiilenallotrooppinen muoto, pyöreäkuudestakymmenestä hiiliatomistamuodostuva äärimmäisen luja molekyyliC60. Utopisti oli osunut oikeaan. Nobelinkemian palkinnon saaneet tutkijatnimesivät löydön Bucminster-fullereeniksi. Nyt erityyppiset fullereenitsekä niiden hiilinanoputkiversiot ovateräitä nanoteknologian perusrakennus-materiaaleja.

Teksti, kuvat ja molekyylimallinnukset:Timo-Olavi Jalkanentimo-olavi.jalkanen@databooks.com

Miltä tuntuisi jos törmäyksen jälkeen auton puskuriin tullut painaumahäviäisi muutamassa minuutissa ja naarmuuntunut maalipinta korjaisiitse itsensä – tai jos autossa olisi itsensä puhtaana pitävät jahuurtumattomat ikkunalasit ja peilit. Entäpä jos kodin jäte menisikaatopaikan sijasta takapihalla sijaitsevaan energia-tuotantoyksikköön, joka muuntaisi sen lämmöksi ja sähköenergiaksi.Scifiä vai todellisuutta? Tämä artikkelikokonaisuus tarkasteleenanoteknologiaa sekä tällä hetkellä olemassaolevien tuotteidenkautta, että tulevaisuuden visioiden kautta. Varmaa on se, ettänanoteknologia tulee vaikuttamaan kaikkialla teollisuuden materi-aalitekniikassa sekä elämässämme.

Nanoteknologiaseminaarissa Kokkolassa. Professori Ulla Lassihoitaa Kokkolan seudun kemian yritysten lahjoitusprofessuuria.

Buckminster Fuller rakensi ensimmäisen kupolinsa vuonna1949, kehuen itsekantavaa pallorakennetta erinomaisenkestäväksi. Pallomainen, 60 hiiliatomista muodostuvaäärimmäisen luja molekyyli löydettiin vuonna 1985 . Uusihiilen isotrooppinen muoto sai nimen Bucminsterfullereeni

Teoreettisen fysiikan professori, Nobel palkittu Richard P.Feynman piti vuonna 1959 luennon There’s Plenty of Roomat the Bottom, jolla hän viittasi loputtomiinkehitysmahdollisuuksiin jos voitaisiin syntetisoida mitä tahansakemiallista ainetta, niin että kappaleita voitaisiin rakentaa atomiatomilta ja molekyyli molekyyliltä – maailmassa jota ei voitunähdä. Feynman oli hyvin vaikuttunut biologisten järjestelmienkyvyistä tuottaa eri aineita. Hän esitti myös sen, että pienessämittakaavassa aineet käyttäytyvät kvanttimekaniikan lakienmukaan täysin eri tavalla kuin suuressa mittakaavassa. Hänvisioi nanoteknologian tulevaisuuden.

Nanoteknologiaseminaari yrityksille

Kun professori Ulla Lassi pitää alkukeväällä 2007kolmipäiväisen Introduction to Nano -seminaarinavausluennon Kokkolan Yliopistokeskuksessa, on kulunutlähes puoli vuosisataa Fullerin ja Feynmanin visioista,atomitasolle voidaan nyt jotenkuten nähdä uusillatutkimuslaitteilla ja nanoteknologia on noussut omaksialueekseen. Lassi työskentelee Oulun Yliopiston soveltavankemian professorina Kokkolassa, seudun kemian yritystenlahjoitusprofessuurissa. Kokkolan ympärillä on pohjoismaidensuurin epäorgaanisen kemian keskittymä.- Tämä on valtakunnallinen seminaari jossa nanoteknologiaalähestytään monesta näkökulmasta. Se tuo osallistujille sekäosaamista että verkostoitumista. Täällä luodaan Suomeenuusia mahdollisuuksia. Esimerkiksi kemian teollisuudessapelkällä bulkkikemikaalien tuottamisella emme Suomessa olekilpailukykyisiä. Nanoteknologian avulla syntyy uusiakilpailukykyisiä tuotteita, Ulla Lassi kertoo vuosikymmenenkokemuksella nanokoon katalyyteistä.

Luennoitsijoita. Tohtorit Jyri-Pekka Mikkola Åbo Akademista ja Krisztián Kordás Oulunyliopistosta, taustallaan fullereenien ja nanoputkien molekyylien rakennemalleja.

Kolmen päivän aikana kymmenkunta luennoitsijaaesittelevät eri nanoteknologian alueita. HeistäOulun yliopiston tutkijatohtori Krisztián Kordáskäsittelee mm. fullereeneja ja hiilinanoputkia.Hänen mielestään nanoteknologia tuo ja on jotuonut tuotteita myös kuluttajatasolle.- Kvanttipistelaserit, kvantin spin-tasojahyödyntävät spintronics -kiintolevyjen lukupäät,uudet pinnoitteet ja hiilinanoputkilla vahvistetutkomposiitit ovat nopeasti löytäneet tiensämarkkinoille. Hyvin tehokkaat aurinkopaneelit jaenergiaa varastoivat laitteet ovat tulossa. Tutkijatosoittavat sen, että uusia sovelluksia voidaan tehdä,mutta tutkimustyön nopea jalostaminen tuotteeksiriippuu yrityksistä, Kordás toteaa.

Åbo Akademin palkittu tohtori, dosentti Jyri-Pekka Mikkola esittelee seminaarissananokatalyysiä. Hän nostaa esille nanoteknologianmyös vihreänä teknologiana.- Ympäristöteknologiassa käytettävät päästöjäeliminoivat katalyyttiset konvertterit suunnitellaanjo nyt nanokoossa. Tulevaisuudessa öljyn rinnalletulee hiilen nesteytys ja uusiutuvan biomassantuottaminen globaalissa määrässä nanoteknologianavulla. Suomi pystyy joskus luopumaan fossiilisistapolttoaineista ja siirtymään bioenergiaan mikälipoliittista tahtoa riittää, Mikkola heittää.Molemmat tutkijat uskovat, että nanoteknologiallaon uusien konkreettisten tuotteiden kehittämisenlisäksi, potentiaalia luoda parempi, puhtaampi jaresursseja säästävämpi maailma.

Ulkona on hyytävän kylmä, mutta nanoteknologia pitää kuumana. Kokkolan seminaariinosallistujia eri yrityksistä: Sami Myllymäki, Aki Juntunen ja Heikki Lyytikäinen.

Yritykset opiskelevat nanoteknologiaa

Nanoteknologia yhdistää eri alojen ihmisiä, jolloinpoikkitieteellisyys on konkreettista. Yli satateollisuuden ja yliopistomaailman kuulijaa ympäriSuomea osallistui Kokkolan seminaariin. Jokaisellaosallistujista oli kiinnostus omiin sovellusalueisiinsa.Silti asioita opittiin yhdessä ja verkostoitumiselle olihyvä tilaisuus.

Sami Myllymäki OMGKokkola Chemicalsiltaluennoi nanopartikkelienvalmistuksesta. Yhtiö onmaailman johtavia kobolt-tituotteiden jalostajia.- Tulevaisuuden potenti-aalisina nanoteknologia-sovelluksinamme näemmeerityisesti uuden suku-polven paristoteknologianja kovametallipinnoituksen,Myllymäki toteaa.

Aki Juntunen TEKEltä soveltaa nanoteknologiaateollisuuden pinnoitteissa ja hän etsii asiakkailleenseminaarista parannusideoita nykytuotteidenominaisuuksiin .- Nanoteknologia ei ole yrityksellemme itseisarvo,mutta se voi tuoda tuotteisiimme lisäarvoa.Kehitystyömme on kokeilevaa ja vertailevaa.Pinnoitteilta vaaditaan ominaisuuksia joustavuudesta,kestävyydestä ja likaahylkivyydestä ainaantibakteerisuuteen, hän kertoo.

Heikki Lyytikäinen Bayer Schering Farma Oy:stäedustaa lääketieteen yritystä joka haluaa seuratananoteknologian soveltamismahdollisuuksia lääkete-ollisuudessa.- Nyt meidän erityiskiinnostuksen kohde on lääkkeidenpitkäaikainen, tasainen vapauttaminen elimistöönpolymeeripohjaisten valmisteiden avulla, sanooLyytikäinen.

“Kyllä sanan nano ympärilläon myös hypeä. Omalleyrityksellemme nano-

teknologia ei ole itseisarvo,mutta se voi tuoda

tuotteisiimme lisäarvoa”

Nanoa, vaiko myös hypeä

Sukupolvi toisensa jälkeen erivuosikymmeninä on nostanutesiin tieteen aloja, joista onkohistu, ja joiden on nopeastiodotettu tuovan mullistaviamuutoksia. Esimerkiksi uskotietotekniikan, biotekniikan jageenitekniikan mahdollisuuksiinon vuorollaan muutamassavuodesa noussut pilviin.Kuitenkin todellisten sovellusten

esiinmarssi on ollut vuosikymmeniä pitkän puurtamisentulos. Nano on tämän päivän sana, jonka ympärilläkohistaan ja jonka varjolla markkinoidaan erilaisiatuotteita - myös ilman katetta. Mitä enemmännanoteknologiaa tunnetaan, sitä enemmän se nähdäänmonelle eri tieteelle yhteisenä rajapintana, jonka kauttaeri alojen ihmiset kohtaavat toisensa.

Tämä artikkelikokonaisuus avaa ja popularisoinanoteknologiaa monelta suunnalta, eri tieteitä yhdistäen.

Mitä nanoteknologia on ?

“Nano” tulee kreikankielen kääpiötä merkitsevästä sanasta ”nanos”.Yksi nanometri on metrin miljardisosa ja millimetrin miljoonasosa.Nanoteknologiassa käsitellään asioita ja tapahtumia hiukkasille, joidenkoko on alle 100 nanometriä. Tällöin lähestytään molekyylienkokoluokkaa .

Nanoteknologiasta on syntynyt yleisnimike, joka pitääsisällään useita teknologian osa-alueita. Siinäpoikkitieteellisyys konkretisoituu ja perinteisetluonnontieteiden aluerajat häviävät. Nanoteknologiavoidaankin nähdä kaikkien luonnontieteiden sulatusuunina.Kemistit, fyysikot, biologit, geenitutkijat ja lääkärit kohtaavatteollisuuden insinöörit ja käytännön sovellusten tarvitsijat.

Nanokoossa aineiden fysikaaliset, kemialliset ja biologisetominaisuudet muuttuvat suuresti. Tähän perustuumahdollisuus luoda nanoteknologian avulla uudella tavallakäyttäytyviä materiaaleja.

Nanokoon teknologiaa on käytetty ennenkin

Termi nanoteknologia sivuaa alueita, joita on tutkittu jahyödynnetty jo vuosikymmeniä. Eri luonnontieteissänanokoon tapahtumia on toki seurattu jo vuosisatoja.Suurin osa öljynjalostuksesta sekä bulkkikemikaalienpuhdistuksesta ja valmistuksesta on hoidettu nanokoonpartikkeleita sisältävillä katalysaattoreilla vuosikymmenienajan. Nanokoon partikkelit muuttuvat aktiivisiksi ja niitähyödyntävissä katalysaattoreissa ne käynnistävät kemiallisiareaktioita. Nanopartikkelit eivät itse juurikaan kulukatalyyttisissä prosesseissa.

Elektroniikkapiirien valmistuksessa on jo kauan tuotettunanometrikoluokan rakenteita, vaikka nanoteknologiasta eipuhutakaan. Mikropiirit valmistetaan litografialla totutettujenmaskien läpi syövyttämällä, sekä johtavia, eristäviä japuolijohtavia kerroksia maskien läpi höyrystäenkasvattamalla.

Uusimmat mikroprosessorit valmistetaan 65 nmviivanleveydellä ja valmistustekniikalla. Yhden transistorinhalkaisijan alueella on tällöin vain 100 atomia. Ohjausporttienpaksuudet, joilla kytkintransistorien tiloja vaihdetaan päälletai pois ovat noin 1,2 nm. Vain muutaman atomin kerroseristää tällöin transistorin ohjauselementin kytkinelementistä.

Vuosikymmeniä käytetyt polymeerit muodostavat myösnanokokoluokan struktuureja. Polymerisoitumisprosessit ovathyvin tunnettuja ja laajalti teollisuuden käyttämiä.Nanokoossa on siis toimittu jo kauan.

Nanokoon hahmottamista auttaviaesimerkkejä:

1 mm on tuhat mikrometriä ja miljoonananometriä.- 100 000 nm, aikakausilehden sivunpaksuus- 80 000 nm, ihmisen hiuksen halkaisija- 2500 nm, punasolu- 1000 nm, bakteeri- 100 nm, virus.- 2 nm, DNA –kaksoiskierteen halkaisija- 0.1 - 0.7 nm, atomin halkaisija

Nanopartikkeliksi luetaan partikkeli, jossavähintään yhden sivun mitta on alle 100 nm.

Hemoglobiinin happea kuljettavasta osa hemi.Molekyylimallinnus näyttää kaikki sen atomitpallopintoina. Koko hemin halkaisija on noin yksinanometri. Keskellä punaisena näkyy hemin ainoarauta-atomi, johon happimolekyyli kiinnittyy.

Onko hemi ja sen hapensiirtokyky kemiaa,fysiikkaa vai biologiaa? Kyseessä on nanokoossatapahtuva ilmiö, jota ilman punasolumme, jossahemoglobiini ja hemi sijaitsevat, eivät kykenisisiirtämään kehoomme happea hengittäessämme.Nanoteknologian kannalta hemiä ei tarvitseluokitella muuhun luonnontieteen osa-alueeseen.

“nanoteknologia onluonnontieteiden sulatusuuni”

Nanokoon ilmiöitä

Materiaalin ominaisuudet muuttuvat täysin kun ainemuodostuu nanometrikokoluokan partikkeleista. Silloinpartikkeleiden pinta-ala tilavuuteen ja massaan nähdenon erittäin suuri, joka aikaansaa aineen fysikaalisten,kemiallisten ja biologisten ominaisuuksien radikaalinmuutoksen.

Jos otetaan 50 kg kvartsia yhtenä kuutiona, sen sivunpituus on 27 cm ja kappaleen pinta-ala on 0.44 m2. Jossama massa muodostuu 1 mm kuutioista, pinta-ala on jo120 m2. Liukenemisaika veteen on tällöin kymmeniämiljoonia vuosia. Mutta muodostuessaan1 nanometrin kuutioista, pinta-ala on 12 000 m2 ja kokomassan liukenemisaika veteen on vain sekunteja.

Pallomaisenfullereenin lisäksihiiliatomit voivatmuodostaasylinterimäisiähalkaisijaltaan2 - 50 nanometrinhiilinanoputkia.Hiilinanoputket ovat100 kertaa terästälujempia ja niitäkäytetään mm.“nanokomposiittien”lujitteena.

Normaalisti pisarat leviävät lasilevylle. Samallalevylläoikealla on suomalaisen Amroy:n pinnoitteella tehty ohutsuperhydrofobinen kalvo, joka aikaansaa vesipakoisuu-den, jolloin sama määrä vettä muodostaapyöreitä palloja.

Likaa hylkivät ja itsepuhdistuvat pinnat

Lotus kukan lehden vettä ja likaa hylkivä ominaisuus ontunnettu läpi historian. Mutaisissa joissa kasvavan kukanlehteen lika ei tartu. Vasta uusilla nanokokoluokanyksityiskohtia näyttävillä mikroskoopeilla todettiin, ettälehden pinnassa on 15 mikrometrin vahakiteistämuodostuva mikrostruktuuri, jossa on edelleen 100 nmnanostruktuuri. Yhdessä nämä tekevät lotus kukastaitsepuhdistuvan. Vesipisarat liukumisen sijasta pyörivätpinnalla jolloin lika tarttuu pisaraan. Pisaran kontaktipinta-ala alustaan on vain luokkaa 2% koko pisaran pinta-alastaja pisarat ovat lähes täysin pallon muotoisia. Ilmiön nimion hydrofobisuus eli vesipakoisuus.

Ilmiötä jäljitteleviä pinnoitteita on kehitetty eritarkoituksiin. Likaa hylkiviin kankaisiin eivät pisaratimeydy, sillä käsitelty kangas aikaansaa lotus –ilmiön.Erityyppisillä likaa ja vettä hylkivillä pinnoitteilla voidaansuojata kriittisissä paikoissa olevia rakenteita vedentunkeutumiselta. Käyttökohteita ovat myösruiskupuristusmuottien käsittely, jolla ehkäistään valoksentarttumista muottiin.

Hiilinanputket ja komposiitit

Pallomaisen hiilen, fullereenin jälkeen löydettiin erittäinlujat hiilinanoputket. Hiilinanoputkia ei pidä sekottaayleisesti massatuotteissa käytössä olevaan hiilikuituun,jota valmistetaan teollisuuskuituja korkeassakuumuudessa hiiliketjuiksi prosessoimalla. Teräkseenverrattuna hiilikuitu on 10 kertaa lujempaa, hiilinanoputket100 kertaa lujempia. Perinteisiä hiilikuituja käytetäänesimerkiksi vahvistamaan komposiittisauvoja ja -mailoja.

Komposiitit nimensä mukaisesti muodostuvat useastaaineesta (compose), jotka eivät kuitenkaan sulaudutoisiinsa. Toinen tuo lujuutta, toinen sitoo lujuutta tuovanmateriaalin, antaa kappaleelle muodon ja jakaarasitusvoimia. Oljista ja savesta tehty tiili on ikivanhaesimerkki. Lasikuidussa on lasikuitua ja epoksihartsia.hiilikuitukomposiitin lujuutta tuova osa on hiilikuitu.

Myös passiiviseksi tuntemamme kulta muuttuu erittäinaktiiviseksi katalyytiksi nanokoossa. Materiaalienperinteisesti tuntemamme ominaisuuden ovatkinnanokoossa aivan toisin.

Nanokokoluokan materiaaleja voidaan tuottaayhdensuuntaisina kerroksina, kuten ohutkalvot,kahdensuuntaisina, kuten hiilinanoputket taikolmensuuntaisina, kuten nanopartikkelit jananokristallimateriaalit.

Nanoteknologian sovelluksia

“myös passiiviseksi miellettykulta on nanokoon

partikkeleina erittäinaktiivista”

Tutkimusta ja tuotteita

Koska nanoteknologian piiriin luetaan useita tieteidenja teknologioiden alueita, on uusiin nanoteknologiansovelluksiin tähtääviä tutkimustoimintaa myös hyvinrunsaasti meneillään. Matka nanoteknologiantieteellisestä tutkimuksesta, soveltavaan tutkimukseenja edelleen sitä hyödyntäviä tuotteita valmistavaksiliiketoiminnaksi on kuitenkin usein pitkä. Laboratorio-olosuhteissa lupaavasti toimivat tuotteet eivät ainatoimi reaaliympäristön olosuhteissa toivotulla tavalla.

Kuvasarjassa runneltu kappale palaa alkuperäiseenmuotoonsa polymeerimuistin ansiosta. Suomessakehitetystä TEKE Hybridi -materiaalista valmis-tetussa valoksessa nanokoon molekyylirakenteidensidosvoimat vetävät kappaleen takaisin muotoonjohon se alunperin kiinteyi.

Hiilinanoputkia voidaan käyttää ”nanokomposiittien”lujitteena. Halkaisijaltaan alle 10 nanometrin japituudeltaan millimetrin luokassa olevia hiilinanoputkiavoidaan lisätä epokseihin. Suomalainen Amroy tuottaatällä tavalla toteutettua epoksihartsia, jota on käytettymm. Tanskan suurimpien tuulivoimalaitosten,halkaisijaltaan 130 metristen siipilapojen sideaineena.Hybtonite nimellä toimitettavaa epoksihartsia käytetäänmyös kalliimmissa kilpasuksissa,- sauvoissa, -mailoissaja veneiden rungoissa.

Amroyn tärkein osaaminen on hiilinanopukienmodifioimisessa, jolloin ne saadaan sitoutumaan lujastihartsiin. Käyttökohteet laajenevat koko ajanhiilinanoputkien hinnan halvetessa. Raakamateriaalimaksoi vielä muutamia vuosia sitten 1000 euroagramma. Nyt hiilinanoputkien massatuotanto onkäynnistynyt ympäri maailmaa ja hinta on pudonnutmurto-osaan.

Itsekorjautuvat ja muotonsa muistavatmateriaalit

Polymeerit ovat aineita jotka muodostuvat yksittäisistämonomeereistä, jotka ovat liittyneet toisiinsa muodostaentoistuvan nanokoon rakenteen (kreikan polys=monta,meros = osaa). Polymerisaatiossa monomeeritkiinnittyvät toisiinsa pitkiksi ketjuiksi. Muovit ja DNAvoidaan lukea polymeereihin.

On kehitetty erilaisia materiaaleja, joissa osa aineensisäisistä sidoksista irtoaa voiman ylitettyä kriittisen rajan.Aine ei kuitenkaan murru, vaan voiman hävittyä sidoksetsyntyvät uudelleen jolloin kappale palaa alkuperäiseenmuotoonsa polymeerimuistin ansiosta . Tulevaisuudenkäyttökohteina tällaisille materiaaleille voidaan nähdäautojen puskurit, kannettavat laitteet ja pinnoitteet jotkakestävät iskuja murtumatta.

Uusia jo markkinoille ehtineitä tai sinne tulossa olevialopputuotteita on silti jo runsaasti eri alueille.Nanoteknologiatutkimuksen kautta markkinoille ontullut lasereita, kaasu-, bio- ym. antureita, diffraktiivistaoptiikkaa käyttäviä laitteita, pinnoitteita,titaanidioksidikalvoa käyttäviä itsepuhdistuviaikkunoita, höyryyntymättömiä pintoja, uudenlaisiakatalysaattoreita, kaasujen ja nesteidenpuhdistusjärjestelmiä, jne.

Nanoteknologian turvallisuus

Kun ihmisen luomia nanokoon partikkeleitakäytetään erilaisissa tuotteissa törmätäänturvallisuusnäkökohtaan. Elinympäristöönlevinneiden nanopartikkelien aktiivisuus onarvaamaton turvallisuusriski. Nanokoon partikkelitvoivat kulkeutua vapaasti biologisiinorganismeihin ja aktivoitua niiden sisällä missätahansa paikassa aiheuttaen arvaamattomiareaktioita - vaikkakin nanopartikkelit pyrkivätusein vapaana klusteroitumaan, muodostaensuurempia hiukkasia. Potentiaalistenterveyshaittojen tutkimus on kuitenkin tärkeää.Tilannetta on verrattu asbestin vaarallisuuteen,joka ymmärrettiin vasta vuosikymmenienasbestituotteiden massakäytön jälkeen

Maailmalla markkinoilla on nanokoontitaanidioksidia sisältäviä aurinkovoiteita jahuulipunia. EU ei niitä kuitenkaan salli, koskananokoon partikkelien terveysvaikutuksia-varsinkin suorassa kosketuksessa ihmiskehoon -eiole kunnolla tutkittu. Nanokoon partikkelit voivataiheuttaa arvaamattomia välittömiä tai hitaastisyntyviä terveyshaittoja.

Hämähäkin seitti on itsekorjautuvananokomposiitti

Hämähäkin seitti on nanokoonkomposiittia, jossa sidosaineena onbiopolymeeria ja vahvikkeena nanokoonkidepartikkeleita. Hämähäkki tuottaasaalistusta varten erittäin venyvää jakiipeilyä varten vähän venyvää seittiä. Vainspiraalina kiertävässä langassa on liima-ainetta, säteittäisissä langoissa ei. Niitähämähäkki käyttää kulkemiseen.

Verkon kyky pysäyttää painava, lentävähyönteinen murtumatta perustuumolekyylisidoksiin, jotka ennen kokomateriaalin rikkoutumista irtoavat toisistaanmahdollistaen seitin jouston jamuodonmuutoksen. Kun seittiäkuormittava voima häviää, irronneetkemialliset sidokset itsekorjautuvatalkuperäiseen tilaansa ja verkko palaamuotoonsa.

Vaikka ihmisen kehittämistä kuiduistaKevlarilla ja hiilikuitudulla on suurempivetolujuus kuin hämähäkin seitillävastaavassa paksuudessa, voittaa seittiihmisen tekemät kuidut katkeamiseentarvittavassa kineettisessä kokonais-energiassa. On laskeskeltu, että lyijykynänpaksuisesta hämähäkinseitistä punottuverkko kykenisi pysäyttämään lentävänJumbojetin. Painoonsa verrattuna seitti onviisi kertaa lujempaa kuin teräs. Maapallonympäri yltävä seitin säie painaisi vain satojagrammoja.

Nanourituksella vettähylkivyyttä

Vesimittareilla – joita virheellisesti kuuleekutsuttavan vesikirpuiksi – on vettä hylkivätjalat. Ne muodostuvat mikrokokoistapiikeistä joissa on nanokokoisia uria. Yksijalka kykenee kannattelemaan hyönteisenpainon 15 kertaisesti. Tämän ansiosta sepystyy liikkumaan veden pinnalla jopa 1,5m/s nopeudella.

Perhosten ja hyönteisten siivistä löytyymyös nanostruktuureja. Tämän ansiostavesi ja pöly eivät niihin tartu. Perhostenvärikkyys johtuu usein siiven pinnassaolevan säännöllisen nanostruktuurinaikaansaamista heijastusspektrinmuutoksista, ei vain väripigmentistä.

Nanostruktuurit aikaansaavatvettähylkivyyttä vesimittareidenjaloissa sekä hyönteisten siivissä.

Luonnosta ymmärrystä nanokoon ilmiöihin

Nanoteknologiaaaamukasteessa.Hämähäkin seittion nanokomposiittia.

“lyijykynänpaksuinen

hämähäkinseittipysäyttäisi

Jumbojetin”

Biologiset organismit täynnä nanokoneita

Biologisten organismien kyky tuottaa paitsi mitä erilaisimpiaaineita, myös niiden kyky tuottaa fysikaalisia ilmiöitä onmoninainen. Sähköankeriaalla on tuhansien peräkkäistensolujen pino lihassolun tyyppisiä ”bioparistoja”, joidenelektrolyysiä samanaikaisesti ohjaamalla se tuottaa satojenhertsin taajuisia vaihtojännitepurkauksia yli 500 voltin ja yli500 watin teholla, tutkimusten mukaan tarvittaessa tuntejakinväsymättä. Tätä sähköankerias käyttää lamaannuttaessaansaaliinsa ja puolustaessaan itseään. Ilmiön pohjalta tehdääntutkimustyötä myrkyttömän ”biopatterin” kehittämiseksi

Kiiltomadot, useat kalat ja suurin osa syvänmeren eliöistätuottavat bioluminesenssiksi kutsuttua valoa erityyppisinkemiallisin ja biologisin keinoin. Tutkimustyötä ilmiönhyödyntämisessä valaistuksessa tehdään.

Biologiset prosessit tuottavat eri aineita ekologisesti,huoneenlämpötilassa, synnyttämättä saasteita. Eräs luonnollinensuunta lähestyä nanoteknologiaa on biokemian ja biologistentoimintayksiköiden kautta.

DNAsta nanotuotannon toiminta-alusta?

Tekniikka, jossa kolmiulotteisia kappaleita luodaantietokoneruudulla 3D -ohjelmalla, jonka jälkeen ne“tulostetaan” sintraamalla muovipölyä yhteen, laserillakuumentaen, on ollut vuosia vakiokäytössä. Lopputuloksenasyntyy vapaamuotoisia kappaleita, jossa voi olla vaikkasisäkkäin liikkuvia osia. Kappaleen rakennetieto voidaanvarastoida tietokoneelle, jolloin, uusi täysin identtinen kappaleon valmistettavissa myöhemmin.

Biologian suunnalta nanoteknologiaa lähestyvät tutkijatehdottavat nanotuotantokoneiden toiminta-alustaksi DNA -kaksoiskierrettä, joka ohjaisi nanorakenteiden valmistumistaja eri aineiden synteesiä.

DNA eli deoksiribonukleiinihappo on kahdestayhteenkiertyneestä parista muodostuva itsejärjestäytyvämakromolekyyli, joka sisältää geneettiset ohjeet elävienorganismien kehitykselle ja toiminnalle. Päärooli DNA:lla ontoimia pitkäaikaisena tietovarastona biologisten komponenttien,kuten solujen, proteiinien ja RNA molekyylien tuottamisessaja synteesin ohjaamisessa. Koska DNA on kaksoiskierre jossavain komplementääriparit yhteenliittyvät, voidaan se nähdämyös kahdennettuna, itsensä varmuuskopioivanatietovarastona, jossa toiseen puoliskoon syntynyt virhe voidaankorjata vastakkaisen puoliskon vastakopion perusteella. DNAkäyttää kopioituessaan tietotekniikasta tutunpariteettitarkistusksen kaltaista ominaisuutta.

Luonnossa on hyvin toimivia nanokoneista koostuvistaorganismeja, jotka kykenevät syntetisoimaan loputtomanmäärän erilaisia aineita ja rakenteita. Koska otamme DNA -rakenteen teollisuuskäyttöön jää nähtäväksi. Varmaa onkuitenkin se, että miljoonien vuosien evoluution aikana syntynytDNA on osoittanut toimivuutensa maapallolla.

Tulevaisuuden nanokoneen ohjauskoodiDNA -kaksoiskierteessä?

“DNA:ssa on itsensävarmuuskopio”

Turun messu- ja kongressikeskuksessa järjestettiinvuonna 2007 elokuun lopussa viikon kestänyt, suurinSuomessa koskaan järjestetty kemian konferenssiEUROPACAT VIII. Paikalle saapui yli 1500yliopistomaailman ja teollisuuden osallistujaa 56maasta.

- Tämä konferenssi on johtava poikkitieteellinen japoikkiteollinen katsaus katalyysiä sivuavienteknologioiden tämän hetken tutkimukseen jateollisuuteen. Nyt se järjestetään ensimmäistä kertaapohjoismaissa, yhteispohjoismaisin voimin. Osallistujattulevat monella eri alueelta. Symposiuminesityssarjoissa käsitellään mm. bio-, entsyymi-,polymerointi- ja fotokatalyysiä sekä nanoteknologiaa,kertoo järjestelytoimia vetänyt Åbo Akademinprofessori Dmitry Murzin .

Katalyyttisiä prosesseja käytetään teollisuudessaerittäin paljon myös Suomessa. Teknologiaa

Professorit DmitryMurzin ja TapioSalmi ÅboAkademista Turunmessu- jakongrenssikes-kuksen edessäseuraamassasuomensuurimmankemiankonferenssinetenemistä.

kehittämällä ja parantamalla voidaan tuottaa entistäpuhtaampia tuotteita entistä edullisemmin.Nanoteknologian kehitys on parantanut prosessienselektiivisyyttä, jolloin syntyvien haitallisten sivutuotteidenmäärä vähenee. Ala pohjaa vuosikymmeniä käytettyynteknologiaan, mutta viime vuosina on tehty useitamerkittäviä läpimurtoja katalyyttien kehityksessä. Yksiesimerkki on typen oksidien poistaminen ajoneuvojenpakokaasuista, jolla ympäristön saastumista on voitumerkittävästi vähentää.

- Ja kun tulevaisuudessa fossiiliset polttoaineet joskusloppuvat, on raaka-aineita haettava uusiutuvistaluonnonvaroista. Tällöin meillä Suomessa on käytössäesimerkiksi öljykasvit sekä metsistä saatava puu ja turve.Turvekin on uusiutuva luonnonvara, vaikka senuusiutuminen kestää satoja vuosia. Jälleen tarvitaan aivanuudenlaisia prosesseja ja katalyysiä, professori TapioSalmi Åbo Akademista kertoo.

Katalyysi on koeteltuananoteknologiaa

Katalyysi on toiminnallista nanoteknologiaa jotaprosessiteollisuus käyttää laajasti. Nanokoonpartikkeleiden läsnäolo aikaansaa kemiallisia reaktioita.Katalysaattoreilla raaka-aineista luodaan uusia aineitamonessa eri vaiheissa.

Katalyysin löytäjänä pidetään ruotsalaista Jöns JacobBerzeliusta, joka vuonna 1835 julkaisi tieteellisen

yhteenvedon, jossa hän kuvasi useita kemiallisiareaktioita jotka aiheutuivat lisätyn aineen johdosta, muttaniin, että tuo lisätty aine ei muuttunut tai kulunut. Tämäloi ajatuksen tapahtumasta jolle hän antoi nimen katalyysi.Öljynjalostuksessa polttoaineiksi ja muovituotteiksi, sekäkemikaalien ja lääkeaineiden tuotannossa katalyysi onollut tärkein perusmenetelmä vuosikymmenet.

Suomen suurin kemian konferenssi Turussa keskittyi katalyysiin

Nobelisti Robert Grubbs:“Olemme itse kemian tehtaita”

EUROPACAT VIII:n avauspuheen piti vuonna 2005 kemianNobel -palkinnon saanut Robert Grubbs. Hän olikehittämässä toisiintumismenetelmää, jonka avulla onmahdollista rakentaa uusia molekyylejä.

Grubbs toteaa, että koko nykyinen elintasomme pohjaalaajamittaisiin teollisuuden katalyyttisiin prosesseihin. Yli 90%peruskemikaalien valmistuksesta on katalyyttistä.

- Katalyysi on nyt ja tulevaisuudessa hyvin merkittävä kemianala. Maapallon öljyresurssien vähetessä uusista

katalyysiprosesseista tulee entistä tärkeäpiä, kuntarvitsemiamme kemikaaleja joudutaan tuottamaan uusistalähtöaineista, Grubbs toteaa.

Hän näkee kasviöljyt jo nyt potentiaalisina raaka-aineina jamaaöljynkin korvaajina monen kemikaalin tuotannossa. Hänei kuitenkaan ryhdy arvailemaan sitä, koska kasviöljynkäyttö todella lisääntyy, vaan sanoo, että muutos tapahtuukun ei ole vaihtoehtoja. Öljykasvien kasvatuksengeopoliittiset ongelmat eivät saa olla itse teknologiankehityksen pysäyttäjinä. Ne tulee ratkaista erikseen.

Katalyysi ei yleisesti ole kovinkaan tunnettua maallikkojenkeskuudessa. Toisaalta sitä on joka puolella.- Ovathan elävät olennot – me ihmiset mukaanlukien –liikkuvia kemiallisia tehtaita. Käytämme katalyysejämuuntaaksemme ruoan tarvitsemiksemme kemikaaleiksi.Ruokahan on kemikaaleja, Grubbs virnistää.

Korkealta näkee kauas ?Lähes kaksimetrinenkemian nobelisti RobertGrubbs vakuuttaa proses-sien olevan valmiitauusiutuvien luonnonvarojenbiopolttoainetehtaille.Mittatikkuna allekirjoittanutTimo-Olavi Jalkanen (kuva:Åbo Akademi).

“yli 90 %peruskemikaaleista

tuotetaan katalyyttisilläprosesseilla”

Jo nyt bio-dieselin tuotantolaitoksia rakennetaanympäri maailmaa, myös Suomeen. Suomessaluonnollisena raaka-aineena on puu. Vahvanmetsäteollisuuden ansiosta täällä on valmiskuljetuslogistiikkakin. Yhdessätoimivia paperi- jabiopolttoainetehtaita tullaan varmasti näkemään.Buckminster Fullerin visiot maapallonenergiatuotannon omavaraisuudesta alkavattoteutua.

Richard P. Feynmanin visioihin bioprosessienkäytöstä on vielä matkaa. Ja nähtäväksi jää, koskakoittaa aika, jolloin metallimies ohjelmoi DNAkoodiin ohjeita haluamansa materiaalin ja

Nanoteknologiaa tulevaisuudessa

Artikkelin kirjoittaja Timo-Olavi Jalkanen on tekniikan ja tieteen popularisointiin erikoistunut vapaatoimittaja, TV-ohjaaja ja valokuvataiteilija. Tämän artikkelin kaikki valokuvat ja molekyylimallinnuksetovat hänen omiaan.

Jalkanen on toiminut mm. Nokia Electronicsissa mikroprosessorijärjestelmien kehitysinsinöörinäja ohjelmoijana, sekä TEKEllä nanoteknologian R&D managerina. Vuosikymmenen aikana hän onkirjoittanut paljon arvostettuihin ammattilehtiin, kuten Teollisuus Nyt, Promaint ja Energia.

Tämä on esitaitto artikkelista, joka on julkaistu Teollisuus Nyt lehden numerossa 5/2007. Artikkelinlainaaminen opetus- tai muuhun käyttöön on sovittava kirjoittajan kanssa:timo-olavi.jalkanen@databooks.com, puh. 044 3450257.

rakenteen aikaansaamiseksi. Tai koskalikaahylkivät ja itsekorjaantuvat pinnoitteet ovat”eläviä”. Nykyisten tietokoneiden ja elektroniikanliittäminen bioprosesseihin, joita niillä ohjataan,tulee olemaan yksi tärkeä kehitysalue. Jonakinpäivänä, kaukana tulevaisuudessa elektroniikankäyttö saattaa vähentyä merkittävästi. Sille voikäydä kuten ensimmäisille mekaanisista rattaistaja akseleista kootuille tietokoneille, joiden paikansähköiset koneet valtasivat. Aikanaan uudetbiologiset komponentit syrjäyttävät puolestaanelektroniikan komponentit vanhentuneina. Jananon jälkeen tulee varmasti aikanaan piko –mitta-alue jota emme vielä juurikaan tunne.