nanotekniikka

Ionotroniset laitteet toimivat ionien eli sähköisesti varautuneiden atomien tai molekyylien avulla. Perinteisesti elektroniikan toiminta perustuu elektroneihin, eli atomeissa oleviin sähköisesti varattuihin alkeishiukkasiin. 

Uudenlaiset ionotroniset laitteet ovat tässä mielessä monipuolisia, sillä ne voivat toimia sekä ionien että elektronien avulla. Tekniikan saaminen normaalikäyttöön vaatii kuitenkin vielä monen teknisen haasteen selättämistä.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat ottaneet tässä nyt yhden askeleen eteenpäin. He ovat kuvanneet, kuinka happi-ionien liike kompleksioksidisessa materiaalissa saa materiaalin kiderakenteen muuttumaan yhtenäisesti ja palautuvasti aiheuttaen suuria muutoksia sähkövastuksessa.

Nanomagnetism and Spintronics -tutkimusryhmässä tehtiin yhtäaikaisia kuvannus- ja vastusmittauksia läpäisyelektronimikroskoopilla (TEM) käyttäen näytepidintä, jossa on nanokokoinen sähköinen anturi.

Esimerkiksi resistiivinen tietokonemuisti (RRAM) voisi hyödyntää tätä vaikutusta; muistipiirit ovatkin ensimmäisinä tutkijoiden mielessä, kun ionotroniikalle tehdään sovelluksia.

Tarkalleen ottaen kyse on piistä tehty Suomi 100 -juhlavuoden virallisen logon mukainen rakenne.

Nanotekniikan tohtori Nikolai Chekurov teki rakenteen Micronovan puhdastiloissa Espoon Otaniemessä.

Menetelmänä hän käytti kohdistetun ionisuihkun ja kryögeenisen syväetsauksen yhdistelmää, jossa kohdetta pommitetaan ensin raskailla ioneilla ja sen jälkeen syövytetään ICP-RIE:llä, eli induktiivisesti kytketyllä plasmareaktiivisella ionietsauksella.

Samalla menetelmällä on tehty vuonna 2008 maailman pienin Aalto-maljakko, johon mahtui 0,1 femtolitraa.

Kyseessä ei ole standardimenetelmä, vaan sitä on kehitetty professori Ilkka TIttosen johtamassa Micro and Quantum Systems-tutkimusryhmässä useissa eri väitöstutkimuksissa.

”Menetelmä toimii niin, että tasaisen piikiekon pinnalle kirjoitetaan ensin ohuelti gallium-ioneja halutun kuvion, tässä tapauksessa siis juhlavuoden logon, mukaisesti", Chekurov selittää.

"Sen jälkeen kiekkoa syövytetään kaasulla, jolloin ne kohdat, joissa on galliumia, jäävät jäljelle ja alueet, joissa sitä ei ole, syöpyvät pois paljastaen kirjoitetun kuvion. Mitä kauemmin syövytystä jatketaan, sen korkeampi rakenteesta tulee.”  

Menetelmällä paljon käytännön sovelluskohteita

Juhlavuoden logosta olisi menetelmällä voitu tehdä pienempikin, mutta Chekurov ja hänen kollegansa halusivat saada aikaan lähes virheettömän ja täsmälleen alkuperäisen logon designin muotoisen kappaleen.

Sadasosamillimetrin kokoinen logo on niin pieni, että sen erottaa juuri ja juuri valomikroskoopilla.

Kolmiulotteisen rakenteen ihailuun tarvitaan jo elektronimikroskooppia, sillä logon pienimmät rakenteet ovat alle mikrometrin kokoisia. Mikrometri on millimetrin tuhannesosa; ihmisen hiuksen paksuus on noin 100 mikrometriä.

”Samalla valmistusmenetelmällä on toki paljon myös käytännön sovelluskohteita. Sillä voidaan valmistaa hyvin erilaisia mikrorakenteita, joita voidaan käyttää muun muassa fotoniikassa ja vaikka pienten nestemäärien mittaamisessa tai mekaanisina mikroantureina”, Ilkka Tittonen kertoo.

Juttu on Aalto-yliopiston lähettämä tiedote.

Kultananohiukkaset ovat muutaman nanometrin kokoisia kulta-atomeista ja niihin kiinnittyneistä päällysteistä koostuvia rakenteita. Ne ovat eräs kuumimmista tutkimusaiheista nanoteknologiassa juuri nyt, ja niiden omituiseen olemukseen on perehtynyt myös tutkinut Tampereen teknillisen yliopiston <strong>Elena Heikkilä</strong>, jonka väitöstutkimus antaa uutta tietoa kultananohiukkasista sekä niiden vuorovaikutuksesta solujen kanssa. Heikkilä työskentelee tutkijana TTY:n fysiikan laitoksella materiaali- ja molekyylimallinnuksen tutkimusryhmässä.

Tavallisessa muodossan kulta ei ole erityisen aktiivinen aine, mutta sen ominaisuudet muuttuvat nanokoossa. Nanokullan kemialliset, katalyyttiset ja absorptio-ominaisuudet ovat ainutlaatuisia verrattuna moniin muihin alkuaineisiin. Tästä johtuen nanokultaa voidaan käyttää muun muassa lääkkeissä ja syöpähoidossa sekä lääketieteelliseen kuvantamiseen. 

"Kultananohiukkaset esimerkiksi absorboivat voimakkaasti säteilyä infrapuna-alueella",  kertoo Elena Heikkilä. "Jos ne kiinnitetään syöpäsoluihin, niitä voidaan kuumentaa laserilla, jolloin syöpäsolut tuhoutuvat."

Heikkilä on mallintanut väitöstyössään kultananohiukkasia molekyylidynamiikan simulaatioilla. 

"Mahdollisten terveyshaittojen vuoksi nanohiukkasten solutason vaikutusten kartoittaminen on tärkeää. Kun ymmärrys siitä kasvaa, voidaan nanomateriaaleja käyttää turvallisesti esimerkiksi lääketieteellisten innovaatioden kehittämisessä."

Erilaisia nanomateriaaleja käytetään jo yleisesti monenlaisissa arkipäiväisissä sovelluksissa, kuten elintarvikepakkauksissa, kosmetiikassa, maaleissa ja puhdistusaineissa. Siksi myös nanomateriaalien turvallisuus puhuttaa, sillä niiden haittoja ei tunneta vielä hyvin. Nanohiukkaset pääsevät tunkeutumaan pienen kokonsa ansiosta ihmisen elimistöön ihon, keuhkojen ja ruuansulatuselimistön kautta. Elimistöön päästessään ne kulkeutuvat kaikkialle kudoksiin ja sisäelimiin. On osoittautunut, että ainakin osa nanohiukkaista voi olla hyvinkin haitallisia. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on havaittu, että nanohiukkaset voivat aiheuttaa muun muassa solukuolemia, ja ne on yhdistetty moniin sairauksiin, kuten Alzheimerin tautiin.

Väitöskirjassaan Heikkilä esittää tulostensa perusteella mahdollisen mekanismin nanohiukkasten kulkeutumiselle soluihin ja selittää tekijöitä, jotka ovat solukalvojen toiminnan häiriintymisen taustalla. Tutkimuksesta käy muun muassa ilmi, että positiivisesti varatut nanohiukkaset ovat potentiaalisesti haitallisempia kuin negatiivisesti varatut, ja että sähköstaattiset voimat ovat tärkeässä osassa siinä, miten nanohiukkaset käyttäytyvät biologisessa ympäristössä. 

Artikkeli on käytännössä suoraan Tampereen teknillisen yliopiston 2.9. julkaistu tiedote.