Aiemmista materiaaleista poiketen niiden toiminta ei perustu interkalaatioon, jossa ionit kytkeytyvät elektrodien molekyylirakenteeseen – mikä hidastuu lämpötilan laskiessa. Siten alhainen lämpötila ei syö akun tehoa.

Orgaanisten aineiden käyttö akuissa ja paristoissa tekee niistä myös potentaalisesti edullisempia, sillä Xian arvion mukaan niiden hinta on noin kolmannes perinteisissä litiumioniakuissa käytetyistä siirtymäalkuaineista.

Laboratoriossa kehitetty uudenlainen akku ei vielä ole valmis kaupallisiin sovelluksiin. Sen energiatiheys on toistaiseksi melko huono, joten akut ovat tehoonsa nähden raskaita. Tutkijoiden mukaan tekniikka vaikuttaa kuitenkin lupaavalta.

Tutkimus on julkaistu Joule-tiedelehdessä.

Kuva: Yong-yao Xia et al.

Pelkkä linssi ei kuitenkaan vielä riitä silmän rakentamiseen, siihen tarvitaan myös säätömekanismia. Ihmissilmässä tehtävää hoitaa rengasmainen sädelihas, joka korvattiin keinosilmässä dielektrisellä elastomeerilla. Sen kutistumista ja venymistä voidaan ohjata sähköisesti.

Elastomeerin avulla saadaan muutettua metalinssissä olevien nanorakenteiden sijaintia toistensa suhteen, jolloin linssin tarkennus muuttuu. Samalla on mahdollista korjata optisia virheitä, kuten hajataittoa.

Metalinssin ja keinotekoisen lihaksen paksuus on vain 30 mikronia eli 30 metrin miljoonasosaa. Koska rakenne on näin ohut, se helpottaa optisten laitteiden rakentamista ja vähentää niissä esiintyviä vääristymiä.

Aivan pian ei ole odotettavissa ihmiselle soveltuvaa keinotekoista silmää, mutta tekniikan arvellaan olevan hyödyksi entistä tarkempien ja parempaan kuvanlaatuun pystyvien kameroiden ja mikroskooppien kehittelyssä.

Uudenlaisesta keinosilmästä kerrottiin Harvardin yliopiston uutissivuilla ja sitä koskeva tutkimus on julkaistu Science Advances -tiedelehdessä.

Kuvat: Capasso Lab/Harvard SEAS

Tekniikan keskeinen haaste oli kehittää materiaali, joka sekä varastoi että johtaa lämpöä hyvin: useimmat aineet ovat toimivia vain toisen ominaisuuden suhteen. MIT:n tutkijaryhmä onnistui valmistamaan grafeenilla pinnoitettua, rakenteeltaan vaahtomaista metallia, johon on sekoitettu vahamaista oktadekaania. Sen olomuoto muuttuu kiinteästä nestemäiseksi halutussa lämpötilassa.

Lämpö varastoituu olomuotoaan muuttavaan oktadekaaniin ja grafeenin avulla saadaan aikaan hyvä lämmönjohtavuus. Kokeissa todettiin, että "ihmeaineen" avulla kymmenen asteen lämpötilaerolla saadaan tuotettua 350 millivoltin jännite 1,3 milliwatin teholla. Ei järisyttävän suuria lukemia, mutta riittäviä esimerkiksi etänä toimivien erilaisten mittauslaitteistojen pyörittämiseen.

Erityisen hyödyllinen uusi tekniikka olisi kohteissa, joissa joudutaan käyttämään useampia vaihtoehtoisia sähköntuotantomenetelmiä tai paikoissa, joihin on mahdoton lähteä tekemään korjauksia, jos tekniikka pettää. Yksi mahdollinen kohde olisivat esimerkiksi Mars-kulkijat, jotka tähän saakka ovat perustaneet toimintansa joko aurinkoenergiaan tai radioaktiiviseen hajoamiseen.

Uudesta tekniikasta kerrottiin MIT:n uutissivulla ja tutkimus on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä.

Kuva: Justin Raymond

Yhdysvalloissa kehitetyn prototyypin koeammunta tammikuussa 2008.

Raidetykillä on perinteisiin tykkeihin verrattuna monta etua. Koska kineettisen energian (siis nopeuden) ansiosta pelkän ammuksen tuhovoima on suuri, ei ammuksissa täydy olla räjähdysainetta. Siksi ammusten käsittely on helpompaa ja turvallisempaa. Toiseksi ammuksessa ei ole erikseen ammusosaa ja hylsyä, ja siksi tykin mekaaninen rakenne on yksinkertaisempi. Siksi periaatteessa raidetykki voisi ampua pelottavalla nopeudella sarjatulta.

Kolmas syy, miksi tykki on sotilaiden mielestä hyvin kiinnostava, on se, että sillä voisi korvata risteilyohjuksia: paitsi että ammukset ovat paljon ohjuksia edullisempia, niitä ei voi häiritä samaan tapaan kuin hitaasti lentäviä risteilyohjuksia. Esimerkiksi Yhdysvalloissa 2000-luvun alussa tehtyjen laskelmien mukaan laivassa oleva 64 megajoulen energian saavuttava ase saisi aikaan enemmän tuhoa kuin Tomahawk-ohjus, mutta ammus maksaisi vain murto-osan ohjuksesta.

Ongelmana on kuitenkin se, että raidetykin kehittäminen on osoittautunut hankalaksi.

Kaksi hankaluutta on yli muiden: sähköntuotanto ja materiaalit. Tykki vaatii toimiakseen paljon sähkövirtaa, joka pitää vapauttaa suprajohtaviin magneetteihin silmänräpäystäkin nopeammin.   Tarvittava määrä sähköä on kyllä helppo tuottaa, mutta sen vapauttaminen nopeasti on vaikeaa. Tähän on käytetty toistaiseksi suuria kondensaattoreita.

Magneetit ovat suprajohtavia, eli ne on jäähdytetty lähelle absoluuttista nollaa. Silloin niiden vastus katoaa lähes täysin; tekniikka on sama kuin esimerkiksi hiukkaskiihdyttimissä tai fuusiokoelaitoksissa, mutta nyt magneettikenttä pitää luoda nopeasti vain pieneksi hetkeksi. Magneettien tarkka ohjaus on myös hankalaa.

Toinen ongelma tähän saakka on ollut sopivien materiaalien löytäminen. Kiskossa käytettävän materiaalin täytyy kestää suuria voimia, niin ammuksen nopeudesta johtuvia kuin sähkövirrasta sekä magneettikentästä johtuvia. Jo pelkästään suuri sähkövirta saa aikaan helposti valokaaria, jotka sulattavat materiaaleja. 

Syntyvää suurta kuumuutta on koetettu vähentää voimakkailla jäähdyttimillä, mutta niiden saaminen toimimaan halutusti tarpeeksi suurella teholla on vaikeaa.

Koeversioita onkin jouduttu tähän mennessä korjaamaan jokaisen laukaisun jälkeen, mikä on ollut suurin syy tekniikan hylkäämiseen – ainakin toistaiseksi.

Tutkimushanke toteutetaan Tampereella väitöskirjaprojektien muodossa. Näitä on kaikkiaan 15.

"Jotta kaikki tavoitteet voidaan saavuttaa, jokaisessa FibreNet-hankkeessa keskitytään erilaisiin haasteisiin. Ne liittyvät muun muassa biokuitujen funktionalisointiin, karakterisointiin, mallintamiseen ja valmistamiseen. Tutkimus kattaa nano-, mikro- ja tuotantotason."

FibreNet on osa Marie Skłodowska-Curie -rahoitteisia eurooppalaisia koulutusverkostoja. Nämä EU-rahoitteiset Horizon 2020 -puiteohjelman ns. innovatiiviseen opetusverkostoon (ITN) kuuluvat projektit keskittyvät erityisesti akateemiselta iältään nuorien tutkijoiden uran buustaamiseen sekä tutkijaliikkuvuuteen.

"ITN-projektirahoitus on erittäin kilpailtua ja arvostettua", Kallio sanoo. 

"Vuoden 2017 haussa keskimääräinen onnistumisprosentti oli 6,8 prosentin luokkaa ja hakemuksia tuli yli 1700. Pärjäsimme kovassa kilpailussa." 

Hankkeen rahoitusmuodosta johtuen Suomeen palkataan tutkijat Suomen ulkopuolelta. Suomessa opiskelleilla puolestaan on mahdollisuus hakea hankkeen yhtätoista muualla Euroopassa avattua paikkaa.

Kolmevuotiset tohtorikoulutettavan paikat ovat nyt avoinna. Suomeen palkataan neljä tutkijaa: kolme TTY:lle ja yksi Kemiralle.

"Kyseessä on ainutlaatuinen tilaisuus rakentaa ammatillisia verkostoja, tutustua sekä teollisuuden että akateemisen maailman toimintatapoihin tutkimuksessa ja ansaita tohtorin tutkinto biokuitujen alalla", Kallio toteaa. 

FibreNetin avoimet paikat hakuohjeineen löytyvät hankkeen sivuilta. TTY:n avoimet paikat ovat materiaaliopin laboratoriossa sekä mikro- ja nanosysteemien tutkimusryhmässä.

*

Juttu perustuu Tampereen teknillisen yliopiston tiedotteeseen, jonka on jättänyt Sanna Kähkönen.

Aalto-yliopistossa työskentelevän akatemiatutkija Sayani Majumdarin vetämä tutkijaryhmä kehittää molemmat ongelmat ratkaisevaa teknologiaa: peruspalikoita neuromorfisten eli aivojen toimintaa jäljittelevien tietokoneiden komponentteihin.

Maailman suurimmat IT-yritykset ja EU investoivat neuromorfisten tietokoneiden tutkimukseen huomattavasti, mutta kukaan ei vielä ole pystynyt luomaan toimivaa nanokokoista laitteistoa, jota voisi myös valmistaa teollisesti.

“Neuromorfisten tietokoneiden vaatima teknologia kehittyy nyt nopeammin kuin niiden haastajat eli kvanttitietokoneet. Yliopistot ja yritykset etsivät kuumeisesti tapoja tehdä vaativaa laskentaa suoraan älypuhelinten, tablettien ja tietokoneiden laitteistolla – ilman ohjelmistoja. Jotta se onnistuisi, tarvitaan äärimmäisen energiatehokkaita, aivojen neuroverkkojen sähköistä tietojenkäsittelyä imitoivia komponentteja”, Majumdar sanoo.

Vähemmän raskasmetallisaastetta

Majumdarin ryhmä on onnistunut valmistamaan uudenlaisia ferrosähköisiä tunneliliitoksia eli muutaman nanometrin paksuisia, kahden elektrodin välissä olevia ohutkalvoja. Liitokset toimivat vain muutamien volttien jännitteellä, ja niitä voi yhdistää monenlaisiin elektrodimateriaaleihin, kuten kaikissa tietokoneissa yleisiin piisiruihin.

Liitoksiin voi myös tallentaa informaatiota yli kymmeneksi vuodeksi ilman lisävirtaa. Niitä voi valmistaa nopeasti suuria määriä normaalissa huoneenlämpötilassa, ilman tyhjiötä tai puhdastiloja. Perinteiset tunneliliitokset on tehty metallioksideista, ja niitä voi valmistaa vain 700 asteen lämpötilassa ja tyhjiössä.

”Meidän liitoksemme on tehty orgaanisista hiilivedyistä, joten ne vähentäisivät myös elektroniikkajätteen raskasmetallisaasteen määrää”, Majumdar huomauttaa.

Ferrosähköiset ohutkalvokomponentit ovat ihanteellisia neuromorfisiin tietokoneisiin, koska ne vaihtavat tilaa ei vain binaarisesti nollan ja ykkösen, vaan myös monien muiden tilojen välillä. Siten ne voivat ikään kuin muistaa niihin syötettyä informaatiota samaan tapaan kuin aivot. Komponentit tarvitsevat vain minimaalisen määrän energiaa säilyttääkseen kerran saamansa informaation – vaikka niistä kytkisi virran pois ja käynnistäisi uudestaan.

Kyse ei ole enää edes transistoreista vaan muistavista ”memristoreista”. Esimerkiksi Marsia seuraavan kerran vuonna 2020 tutkimaan lähetettävä Rover-robotti tarvitsee keinotekoisia aivoja muistuttavan laitteiston, jotta se voisi analysoida keräämäänsä dataa vain yksi aurinkokenno energianlähteenään.

”Yritämme seuraavaksi yhdistää miljoonia tunneliliitoksiamme käyttäviä memristoreita neliösenttimetrin kokoiseksi verkostoksi. Ne voisivat suorittaa kompleksisia tehtäviä, kuten kuvan- ja hahmontunnistusta ja tehdä analysoimansa datan pohjalta itse päätöksiä”, Majumdar kertoo.

*

Juttu on Aalto-yliopiston tiedote lievästi editoituna.

Müller käyttää tarkoitukseen keinonenää eli kädessä kannettavaa elektronista laitetta, joka haistelee ilmaa ja raportoi havaitut tuoksut käyttäjälleen. 

Idea on yksinkertainen ja muistuttaa WLAN-signaaleihin ja magneettikenttiin perustuvaa sisätilapaikannusta. Keinonenä haistelee ilmaa tuntemattomassa sijainnissa ja vertailee aiemmin kerättyjä tuoksuhavaintoja tunnistaakseen paikan.   

"Hajupaikannus perustuu ajatukseen, että kaikilla tiloilla olisi niille ominainen, ainutlaatuinen tuoksu. Halusimme nähdä, olisiko mahdollista määrittää paikalle ominaishaju, samoin kuin ihmiselle yksilöllinen sormenjälki. Ensimmäisten testien tulokset ovat lupaavia, mutta joitakin ongelmakohtia on vielä ratkaistavana."

Jutun pohjana on Aalto-yliopiston tiedote.