Nanolla paremmaksi - MAOL kevätpäivät 2014

Suomalainen nanotiede ja -teknologia

TkT Mika KoskenvuoriNanoteknologian Uudenmaan osaamiskeskus

Culminatum Innovation Oy Ltd

Muista sallia makrot esityksessä!

A. G. Nasibulin et al. Nature Nanotechnology 2 2007

• Mitä nanoteknologia on? • Nanoteknologiaa luonnossa• Suomalaisia nanoteknologia yrityksiä ja –tuotteita• Nanoteknologian lupauksia

Mika Koskenvuori | Culminatum Innovation Oy Ltd 2Kuva: N. Chekurov / Aalto University http://image.mrs.org/images/s09scienceasart/FirstPlaceNikolaiChekurov.jpg

Sisältö



Sisältö

Nanoteknologia on tutkimusta ja teknologista kehitystä atomi-, molekyyli- ja makromolekyylitasoilla, missä etäisyydet yltävät yhdestä nanometristä sataan nanometriin (1 – 100 nm).

Siirryttäessä nanomittakaavaan tuntemamme materiaalit muuttuvat fysikaaliskemiallisilta ja biologisilta ominaisuuksiltaan, mihin perustuu nanotieteiden mahdollisuus luoda kokonaan uusia materiaaleja.

Monesti vahvasti poikkitieteellistä.

Mika Koskenvuori | Culminatum Innovation Oy Ltd 4

Mitä nanoteknologia on?

5Mika Koskenvuori | Culminatum Innovation Oy Ltd

1 nm

Kuinka pieni nano on?






100 000 nm



600 nm



200 000 000 000 000


1 nm

Kuitenkin 1 nm matkalle mahtuu useita atomeja!Esim. n. 3,7 kulta atomia



Bulkkikulta• Väri keltainen• Reagoimaton• Sulamispiste 1200 OC

1 nm partikkelit• Väri sininen• Jonkin verran reaktiivinen• Sulamispiste 200 OC

Ominaisuuksia: Esimerkkinä kulta

3 nm partikkelit• Väri punainen• Katalyyttinen• Sulamispiste 300-500 OC


Au-Partikkelin koko Pinta-ala Esimerkki

1 mm 1,5 cm2

10 µm 150 cm2

1 µm 0,15 m2

100 nm 1,5 m2

10 nm 15 m2

1 nm 150 m2

1 g1 g

Kuinka paljon grammassa kultaa on pinta-alaa?

Metalli Ominaisuus Normaalisti Nano-koossa

Indium (In) Sulamispiste 152°C < 0 °C

Alumiini Magneettisuus Ei Kyllä

Kupari Kovuus < 0,5 Gpa 2,5 GPa


Muita nano-metalleja



Sisältö


• Mikrokokoiset karvat on päällystetty nanometrien vahakerroksella• Pinnasta tulee näin superhydrofobinen

Lootus-ilmiö – ”itsepuhdistuvuus”

Kuva: http://conservationreport.com/tag/wind-power/

Nanoteknologiaa luonnossa


• Mikrokokoiset karvat on päällystetty nanometrien vahakerroksella• Pinnasta tulee näin superhydrofobinen

Lootus-ilmiö – ”itsepuhdistuvuus”

Kuva: http://conservationreport.com/tag/wind-power/

Nanoteknologiaa luonnossa


Gecko – Nanometrien ”karvat” – van der Waalsin voimatNanoteknologiaa luonnossa


Gecko – Nanometrien ”karvat” – van der Waalsin voimatNanoteknologiaa luonnossa

• Mitä nanoteknologia on? • Nanoteknologiaa luonnossa• Suomalaisia nanoteknologia-yrityksiä ja –tuotteita• Nanoteknologian lupauksia


Sisältö

Mika Koskenvuori | Culminatum Innovation Oy Ltd

Suomessa on n. 500 nanoteknologiayritystä, joista yli 200 myy nanoteknologiaa hyödyntäviä tuotteita tai palveluita

Titaniumim

plant

Bone

Soft tissueattachment

Suomalaisia nanoteknologiatuotteita

Tyypillisesti parannettuja ominaisuuksia jo olemassa oleviin tuotteisiino Pinnoitteet – kulutuksen kesto, lian hylkiminen, antibakteerisuus,…o Partikkelit – uusia ominaisuuksia öljyihin, voiteluaineisiin, maaleihin…o Komposiitit - sama rakenne mutta kevyempänä ja lujempanao Estetiikka – lasi, muovi, kalvot, korut,…o Elektroniikka – MEMS, anturit, sensorit, tietokoneet, puhelimet,

televisiot ,…

Nanoteknologian lisäarvo?

Kangaskuidun päällä satojen nanometrien paksuinen hylkivä polymeerikerros• Käsittely saa aikaan

pintajännityksen, jonka ansiosta lika voidaan vain pyyhkiä pois

• Kustannussäästöt ja ympäristö

Mika Koskenvuori | Culminatum Innovation Oy Ltd 22 Kuvien lähde: Tefi Oy

Helppohoitoiset tekstiilit

Kangaskuidun päällä satojen nanometrien paksuinen hylkivä polymeerikerros• Käsittely saa aikaan

pintajännityksen, jonka ansiosta lika voidaan vain pyyhkiä pois

• Kustannussäästöt ja ympäristö

Mika Koskenvuori | Culminatum Innovation Oy Ltd 23 Kuvien lähde: Tefi Oy

Helppohoitoiset tekstiilit


”Itsepuhdistuvat” TiO2 -pinnat

Sto AG: Superhydrophobic paint ”Lotus effect”

• Mailoista kestävämpiä ja kevyempiä ja varresta joustavampi, mikä auttaa kiekon käsittelyssä ja lisää “tuntumaa”

• Materiaalissa käytetty hiilennanoputki-epoksia

www.montreal.fi www.amroy.fi

• Mailasta vakaampi, voimantuottoa lisää, kehys tasalaatuisempi

• Yksittäisten hiilikuitusäikeiden väliin jäävät tyhjät kolot täytetty nanokokoisilla piidioksidikiteillä

www.wilson.com www.amer.fi


Kuvan lähde: www.wilson.comKuvan lähde: www.montreal.fi

Nanoteknologiaa urheiluvälineissä

http://www.montreal.fi/

http://www.amroy.fi/

http://www.wilson.com/

http://www.amer.fi/


Maailman ensimmäinen nanoteknologiaan perustuva tuulivoimalan siipi• Innovatiivinen Hybtonite®

kevytsiipirakenne: hiilinanoputkivahvisteista epoksia

• Siipikoko on voitu kaksinkertaistaa ja voiman tuottoa kasvattaa 30 % suuremmaksi

• Mahdollistaa sähköntuoton jo alhaisilla tuulennopeuksilla

• Myös maailman suurimmat massatuotannossa olevat tuulimyllyt (siiven pituus 61,5 m) on valmistettu käyttämällä Hybtonite® epoksia

www.eagle.fi www.amroy.fi 26

Kuvan lähde: www.eagle.fi

Tuulivoimaloiden rakenteet

http://www.eagle.fi/

http://www.amroy.fi/

Nanoteknologiaa asumisessa nyt

www.parla.fi

www.savosolar.fi www.vicover.fi

www.millidyne.fi

• Betonia saostettiin hiilen nanoputkilla.

• Tuloksena betonin lujuutta saatiin kasvatettua kaksinkertaiseksi

• Samalla betonin sähkönjohtavuus kasvoi kymmenkertaiseksi

• Sovellusesimerkki: aurinkosähkövoimalaan yhdistettynä

• Vasta tutkimusasteella

Nanoteknologiaa asumisessa tulevaisuudessa?

Kupari nanopartikkelit

öljyssä (www.nanoltechnologies.com

)

Nanotimantti-pinnoite (www.diarc.fi)

Nanopinnoitteet korroosion

estossa (www.picosun.com)(www.millidyne.fi)

Nanoteknologiaa koneenrakentajille nyt

Nanoteknologiaa koneenrakentajille tulevaisuudessa

Self-Healing Coatings- New Technology DevelopmentsSudhakar Balijepalli, Kumar Nanjundiah, Yanxiang Li,Marco Barsacchi, The Dow Chemical Company

Prof. Di GaoUniversity of Pittsburgh

Kuvan lähde: Vivoxid Oy

Titaniumim

plant

Bone

Soft tissueattachment

Tulehdusarvojen (CRP) hyvin nopea mittaus lääkärin vastaanottohuoneessa• CRP-mittauksessa C-reaktiivinen proteiini

reagoi nanopartikkelien kanssa• tulos mitataan optisestiwww.oriondiagnostica.fi

Titaani-implanttiin lisättävä pinnoite, jonka ansiosta pehmytkudos paranee nopeammin• Pinnoitteena käytetty

titaanidioksidi estää myös bakteereiden leviämisen kudokseen

www.vivoxid.fi


Kuvan lähde: Orion Diagnostica

Nanoteknologiaa lääketieteessä ja hyvinvoinnissa

http://www.oriondiagnostica.fi/

http://www.vivoxid.fi/


Kuvien lähde: Beneq Oy

Nanoteknologiaa koruissa: ALD-teknologian käyttö

• Helposti puhdistettavia ja antibakteerisia pinnoitteita metalleille, muoveille, kivelle ja keraameille

• Korroosion ja naarmuuntumisen esto

Mika Koskenvuori | Culminatum Innovation Oy Ltd 33 Kuvan lähde: Millidyne OyMika Koskenvuori | Culminatum Innovation Oy Ltd

Toiminnallisia pinnoitteita nanoteknologialla• Kitkaominaisuuksien säätö• Sekä kotitalous- että teolliset

sovellukset

• Mitä nanoteknologia on? • Nanoteknologiaa luonnossa• Suomalaisia nanoteknologia yrityksiä ja –tuotteita• Nanotieteen ja teknologian tutkimus Suomessa (ja

maailmalla)


Sisältö


Suuret lupaukset: Parempaa tulevaisuutta nanoteknologialla

Mitä nanotiede on tänä päivänä?

Paul W. K. Rothemund, Nature, 440, 2006 A. G. Nasibulin et al. Nature Nanotechnology 2 2007

O. Ikkala, Aalto yliopisto

ab-initio.mit.edu/photons/Jokinen, Sainiemi, Franssila, Adv.Mater. 2008

Kylmälaboratorio , Aalto yliopisto


Hiilen nanoputket (CNT)Vahvuus Yli 300x vahvempaa kuin hiiliteräsKovuus (suurempi) kuin timantillaSähkönjohtavuus 1000x parempi kuin kuparilla

(vaihtoehtoisesti puolijohtava)Lämmönjohtavuus Parempi kuin timantilla

Kuva: WikipediaA. G. Nasibulin et al. Nature Nanotechnology 2 2007

Uudet materiaalit: Hiilinanoputket


Kuva: radio.tkk.fi

Kuva: lifeboat.com

S.Linden et al. Science, 306, 2004

Uudet materiaalit: Metamateriaalit

Esimerkiksi nanoselluloosa• Eristemateriaali (huokoisuus, alhainen

tiheys, mekaaninen vahvuus)• Hygieniatuotteet• Bio-nanokomposiitit• Elintarvikesovellukset• Kosmetiikka• Lääketeollisuus


Uudet materiaalit: Aerogeelit ja nanoselluloosa

Pienempiä, halvempia, nopeampia, tehokkaampia responsiivisia systeemejä, integroituina monia toimintoja

• Biomimeettiset ja hybridimateriaalit• Itseorganisoituvat materiaalit• Aistivat, itseparantuvat materiaalit• Painettava älykkyys• Energiatehokkuus


Kuvan lähde: www.nokia.com

Tulevaisuuden laitteet



Education

Nanolla paremmaksi - MAOL kevätpäivät 2014