materiaalitutkimus

Suorana labrasta 6/2018: Paavo Heiskasen mukana avaruusmateriaalilaboratorioon

Ti, 02/06/2018 - 15:01 Toimitus
Paavo Heiskanen

ESTEC on suurin Euroopan avaruusjärjestön keskuksista ja siellä sijaitsee suuri testikeskus. Osana tätä on materiaalilaboratorio, joka keskittyy tutkimaan ja testaamaan avaruusaluksissa käytettäviä aineita.

"Työskentelen tutkimus- ja kehityshankkeiden laadunvalvonnan parissa, tavoitteena varmistaa että kun avaruusalusten osia suunnitellaan ne kestävät avaruusympäristön asettamat erityishaasteet", kertoo Paavo, joka on ollut työssä ESTECissä syksystä 2015 alkaen.

Hän on valmistunut diplomi-insinööriksi Teknillisestä korkeakoulusta juuri ennen kuin se muuttui Aalloksi. Opintojensa aikana hän on ollut myös Ruotsin Luulajassa sekä  Würzburgissa, Saksassa.

 

PEEK-kestomuovilla voi korvata metalliakin

Ma, 04/03/2017 - 16:12 Toimitus

PEEK-kestomuovia käytetään nykyisin erilaisissa teknisissä sovelluksissa, mutta pienillä parannuksilla se voisi taipua aivan uudenlaisiin käyttökohteisiin. Ville Myllärin tutkimuksessa PEEK-kuidut ohenivat ja saivat pintaansa yhdisteitä, jotka pystyvät hajottamaan orgaanisia aineita. 

Polyeetterieetteriketoni eli PEEK on kestomuovi, jota käytetään silloin kuin muut muovit eivät enää ominaisuuksiensa puolesta riitä. Sillä on erityisen hyvä lämmön- ja kemikaalien kesto sekä mekaaninen lujuus. PEEKin korkea hinta, noin sata euroa kilolta, kuitenkin rajaa sen käyttöä erikoiskohteisiin.

PEEKiä käytetään muun muassa ydinvoimaloiden tiivisterenkaissa, lentokoneissa korvaamaan metalleja ja erilaisissa lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten kalloimplanteissa", kertoo TTY:llä ensi perjantaina väittelevä Ville Mylläri.

Mylläri tutki PEEK-pohjaisten kuitujen käyttömahdollisuuksia yhä vaativimmissa sovelluksissa. Yksi tutkimuksen tavoitteista oli valmistaa mm. mahdollisimman ohuita PEEK-kuituja.

"Ohuita kuituja käytetään esimerkiksi lääketieteessä katetrien suojapunoksina", Mylläri sanoo.

Mylläri myös ikäännytti PEEK-kuituja lämmön ja valon avulla. PEEKin ylin suositeltu käyttölämpötila on 250 astetta, mutta testien perusteella tämä lämpötila haurastuttaa kuituja suhteellisen nopeasti.

"Sama vaikutus on myös UV-valolla. Sen huono kesto on yllättäen yksi PEEKin suurimmista heikkouksista."

Kolmannessa osiossa PEEKiä muokattiin kemiallisesti. Kuidun pintaan muodostui UV-säteilyn ansiosta kemiallisia yhdisteitä, jotka pystyvät hajottamaan orgaanisia aineita.

"Ominaisuutta voitaisiin hyödyntää muun muassa itsestään puhdistuvissa ja antimikrobisissa tekstiileissä sekä fotokatalyyttisessä ilmanpuhdistuksessa", Mylläri ehdottaa.

Artikkeli on Tampereen teknillisen yliopiston tiedote vain hieman toimitettuna.

Nyt materiaaleja voi rakentaa atomi atomilta

Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet luomaan atomihiloja, joilla on ennalta määritelty sähkövaste. Tutkimustulokset tuovat synteettiset kvanttimateriaalit askeleen lähemmäs todellisuutta.

Yksittäisiä atomeja on kyetty liikuttelemaan hallitusti tunnelointimikroskoopin (STM) avulla ensimmäisen kerran jo yli kaksikymmentä vuotta sitten. Atomien tarkka järjesteleminen näytteessä avaa kuitenkin uusia mahdollisuuksia. Materiaalin elektronisia ominaisuuksia on mahdollista muuntaa atomirakennetta muokkaamalla ja siten luoda uusia, keinotekoisia materiaaleja.

Kolmen tutkimusryhmän yhteistyö Aalto-yliopistossa on nyt tehnyt tästä mahdollisuudesta totta. Yhdistämällä uusia kokeellisia ja teoreettisia ideoita, tutkimusryhmät onnistuivat kontrolloimaan elektronisia ominaisuuksia tärkeissä mallijärjestelmissä.

Ryhmien johtajina toimivat Peter Liljeroth (Atomic Scale Physics), Teemu Ojanen (Theory of Quantum Matter) ja Ari Harju (Quantum Many-Body Physics).

Keinotekoiset materiaalit luotiin järjestelemällä kloorivakansseja kuparikiteen pinnalla tunnelointimikroskooppia käyttäen neljän kelvinasteen (–269 °C) lämpötilassa.

”Atomirakenne määrittelee tietysti sähköiset ominaisuudet myös oikeissa materiaaleissa, mutta keinotekoisten materiaalien kohdalla hallitsemme rakennetta täysin. Periaatteessa voisimme ottaa kohteeksi minkä tahansa elektronisen ominaisuuden ja toteuttaa sen kokeellisesti”, toteaa Robert Drost, joka toteutti kokeet Aalto-yliopistossa.

Yllä olevalla videolla näkyy, miten tutkijat liikuttavat yksittäisiä atomeja mikroskoopissa ja järjestävät vakansseja yhdessä klooriatomikerroksessa. Näin saatiin tehtyä atomihiloja, joilla on ennalta määritelty sähkövaste.

Lähestymistapa ei kuitenkaan rajoitu tutkijaryhmän valitsemaan kloorijärjestelmään. Samaa menetelmää voidaan soveltaa moniin pinta- ja nanotieteen tunnettuihin järjestelmiin. Se voidaan jopa mukauttaa mesoskooppisiin järjestelmiin, kuten kvanttipisteisiin, joita kontrolloidaan litografisten prosessien avulla.

Atominkokoamismenetelmäänsä käyttämällä tutkijaryhmä todisti, että sähköistä rakennetta voidaan hallita rakennetuissa atomihiloissa luomalla kaksi erilaista keinotekoista rakennetta. Inspiraation näihin ryhmä sai perusluonteisista mallijärjestelmistä, joilla on eksoottisia elektronisia ominaisuuksia. Ensimmäisessä järjestelmässä, niin kutsutussa dimeeriketjussa, saadaan aikaan topologisia faasirajatiloja. Tutkijat onnistuivat luomaan tällaisia atomin tarkkuudella määriteltyihin paikkoihin rakennetta kontrolloimalla.

”Topologisten kvanttimateriaalien tutkimus on yksi nykyfysiikan aktiivisimmista tutkimusaiheista. Tutkimustuloksemme osoittavat, että ala on kehittynyt siihen pisteeseen, että aineen eksoottisia faaseja voidaan suunnitella ja valmistaa keinotekoisesti”, akatemiatutkija Teemu Ojanen selittää.

Toisella tutkituista järjestelmistä, Liebin hilalla, on eksoottinen elektronirakenne, joka voi olla merkityksellinen keinotekoisten magneettisten tai suprajohtavien materiaalien toteuttamisen kannalta.

”On ennustettu, että tässä järjestelmässä on niin sanottu litteä vyö, jossa elektronit käyttäytyvät aivan kuin niiden massa olisi hyvin suuri, mikä voi johtaa magneettisuuteen ja suprajohtavuuteen. Aiomme testata tätä tulevissa tutkimuksissa”, Harju selittää.

”Tutkimustuloksemme avaavat uuden tutkimusalueen, jossa kokeellisten ja teoreettisten tutkimusryhmien tiivis yhteistyö johtaa varmasti moniin jännittäviin löytöihin. Olemme perustamassa uutta huippuyksikköä designer-materian tutkimukselle tämän tutkimuksen jatkamiseksi. On harvinaista, että voimme keksiä teoreettisesti jonkin rakenteen, jossa on kiinnostavia ominaisuuksia, ja sitten kävellä suoraan laboratorioon toteuttamaan sen käytännössä”, Liljeroth summaa.

Tutkimustulokset julkaistiin Nature Physics -lehdessä 27. maaliskuuta.

Video ja artikkeli perustuvat Aalto-yliopiston tiedotteeseen.

Video: Näin tehdään timanttipuristuksella mahdotonta metallivetyä

Metallinen vety on omituinen idea vuodelta 1935. 

Vety kun normaalisti on eriste, mutta metallisena se johtaisi sähköä erinomaisesti. Sen avulla voisi tehdä esimerkiksi suprajohteita, jotka toimisivat huoneenlämmössä. Lisäksi siihen on puristuneena pieneen tilaan paljon energiaa, joten sitä voisi käyttää superpolttoaineena. Ja ellei muuta, niin metallivety on tieteellisesti erittäin kiinnostava aine, koska sitä ei ole koskaan nähty aikaisemmin.

Teorian mukaan sitä tosin olisi erimerkiksi jättiläisplaneettojen ytimissä ja kenties maapallonkin keskellä – mutta nyt sitä on siis pystytty tekemään laboratoriossa.

Harvardin yliopiston tutkijaryhmä kertoo tuoreessa Science-lehdessä tästä onnistumisestaan. Artikkelin luonnos on ollut luettavissa jo lokakuusta arXiv.org -palvelussa.

Professorit Thomas Cabot ja Isaac Silvera sekä tohtoritutkija Ranga Dias ovat tutkineet vedyn muuttamista metalliseksi jo pitkään. 

He puristivat hyvin pientä määrää vetyä kahden timantin välissä 495 gigapascalin paineella, eli paineella, joka on selvästi suurempi kuin vallitsee maapallon ytimessä. Näin suuressa paineessa kiinteä atomaarinen vety – siis "tavallinen" jäätynyt vety – muuttuu metallin omaiseksi, koska sen molekyylirakenne murtuu.

Sen jälkeen, kun vety on muuttunut metalliseksi, on se teorian mukaan hyvin pysyvä. Eli kun painetta vähennetään, se pysyy metallina samaan tapaan kuin timantit pysyvät timantteina sen jälkeen, kun ne ovat syntyneet hiilestä erittäin suuressa paineessa ja lämpötilassa.

Näin metallista vetyä voitaisiin käyttää suprajohteena melkeinpä missä vain ilman suuria ja hankalia jäähdytyslaitteita. Suuren energiatiheytensä ansiosta se voisi toimia myös polttoaineena esimerkiksi raketeissa tai lentokoneissa, joissa pieneen tilaan olisi hyvä saada pakattua mahdollisimman paljon energiaa.

Vety muuttuu metalliseksi kuvasarjassa, missä paine kasvaa vasemmalta oikealle mentäessä.

Näin siis teorian mukaan: Harvardin tutkijaryhmä ei ole onnistunut vielä mittaamaan synnyttämäänsä metallista vetyä, vaan siinä kuvataan aineen syntyneen ja hehkutetaan millaista se mahdollisesti on. 

Tämän vuoksi monet pitävät sitä ennenaikaisesti julkaistuna ja puolivalmiina. 

Kiinnostavinta metallisessa vedyssä on sen sähkönjohtokyky, mitä olisi ollut hyvä mitata jo kunnolla. Nyt tutkijat ovat vain arvelleet sitä aineen valonheijastuskyvyn perusteella.

Ennen metalliseksi muuttumistaan vety käy läpi varsin omituisia vaiheita. Kun normaalisti vety on läpinäkyvää, se muuttuu voimakkaasti puristettaessa ensin lähes mustaksi ja imee itseensä melkein kaiken siihen osuvan valon. Paineen kasvaessa valonheijastuskyky kasvaa ja lopulta metallinen vety heijastaa hyvin valoa, kuten kiiltävät metallit yleensä.

Amerikkalaisryhmä onkin arvioinut metallisuutta "vain" valonheijastuskykyä havaitsemalla, ei suoraan mittaamalla. Keino voi olla toimiva, mutta se on epäsuora, eikä sitä ole voitu vielä varmistaa.

Silti löytö on erittäin kiinnostava ja lupaava, mutta vaatii lennokkaan lehdistötiedotteen tekemisen lisäksi vielä hieman lisätutkimusta.

Savua vai kuparia?

Ma, 05/30/2016 - 07:45 Jari Mäkinen
Kuparia

Kuva näyttää vähän mustavalkoiselta savulta, mutta on oikeasti kuparista tehdyn vaahdon halkileikkaus kuvattuna röntgentomografisesti.

Päivän kuva
Kyseessä on yksi niin sanotun synkrotronisäteilyn sovelluksista. Eri puolilla maailmaa on kompakteja hiukkaskiihdyttimiä, joilla ei yleisesti tunnettuun tapaan tutkita alkeishiukkasia, vaan joilla yksinkertaisesti kiihdytetään hiukkasia, jitka tuottavat sähkömagneettista säteilyä rinkulassa nopeasti lentäessään ja voimakkaiden sähkömagneettien kääntäessä koko ajan niiden lentorataa.

Kiihdyttimestä ja sen käytöstä riippuen tuloksena on erittäin voimakasta infrapuna-, ultravioletti- tai röntgensäteilyä, jota voidaan käyttää mm. läpivalaisuun ja ikään kuin mikroskopiaan.

Menetelmää käytetään paljon lääketutkimuksessa ja biologiassa, koska sillä voidaan esimerkiksi tutkia (vähän aikaa) eläviä soluja toiminnassa tai molekyylejä.

Erityisen paljon näitä supervoimakkaita "valonlähteitä" käytetään materiaalifysiikassa, ja päivän kuva liittyy juuri tähän: Yhdysvaltain Argonnen kansallisen laboratorion tutkijat Fikile Brushett, Xianghui Xiao ja Lynn Trahey ovat tutkineet laboratoriossaan olevalla maailman voimakkaimmalla "valonlähteellä" eri metallien ja metallista tehtyjen seosten sisäistä rakennetta tutkimuksessaan, jonka tarkoituksena on kehittää parempia akkuja mm. tulevaisuuden sähköautoihin.

Kuvan kohde on noin viiden eurosentin kolikon kokoinen ja tarvittavan röntgensäteilyn tuottamiseen käytettiin suurta synkrotronia, joka sijaitsee Chicagon luona. Lähin vastaava laite on Ruotsissa, Lundissa, ja voimakkain eurooppalaislaite on Pariisin luona sijaitseva SOLEIL (lyhenne, joka on myös ranskan kielen sana "Aurinko"). Nyt kesäkuussa Lundissa otetaan käyttöön uusi synkrotroni, MAXIV, josta tulee Euroopan ärein.

Kuva: Argonne National Laboratory

 

 

 

 

Grafeeninauha, joka luulee olevansa metallia

Ma, 12/21/2015 - 12:09 Toimitus
Grafeeninaunaa tutkittavana

Aalto-yliopiston tutkijat ovat osoittaneet kokeellisesti, että atomitasolla täsmälleen tietyn levyiset grafeeni-nanonauhat käyttäytyvät metallin tavoin, aiempien teoreettisten ennustusten mukaisesti.

Grafeeni on kymmenkunta vuotta sitten keksitty hiilirakenne, joka muodostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa sitoutuneita hiiliatomeja. Se on kestävin tällä hetkellä tunnettu aine, ja koska se on erittäin valoaläpäisevää ja johtaa hyvin lämpöä ja sähköä, etsitään sille käyttöä monissa erilaisissa sovelluksissa.

Uudet suomalaistulokset tasoittavat tietä grafeenin käytölle tulevaisuuden elektronissa laitteissa, kuten mikroprosessoreissa, joissa grafeiinista valmistetuilla erittäin ohuilla nanonauhoilla voitaisiin korvata kupari johdinmateriaalina. Kun johtimen koko pienennetään atomimittakaavaan, grafeenin lämmönjohtavuuden ja kestävyyden uskotaan olevan parempi kuin kuparin.

Grafeenia tutkitaan maailmalla paljon. Aiemmin valmistetut grafeeni-nanonauhat ovat kuitenkin olleet puolijohteita, joilla ei voi suoraan korvata metallisia johtimia. 

Poikkeukselliset elektroniset ominaisuudet

Nanonauhan valmistus perustuu molekyylien väliseen kemialliseen reaktioon metallipinnalla.

"Nauhojen valmistamiseen käytettävä molekyyli määrittää tarkasti nauhan leveyden", selittää Pekka Joensuu, joka valvoi käytettyjen molekyylien synteesiä. 

"Jos halutaan muuttaa nauhan leveyttä vaikkapa yhden hiiliatomin verran, valitaan vain eri molekyyli".

"Mittasimme tunnelointimikroskoopilla yksittäisten nauhojen ominaisuuksia ja osoitimme, että yli viiden nanometrin pituiset nauhat käyttäytyvät metallin tavoin", kertoo Amina Kimouche.

Otsikkokuva esittää grafeeninauhaa ja sitä tutkivaa mikroskoopin kärkeä.

Kokeellisia havaintoja täydennettiin teoreettisilla laskelmilla. Teorian mukaan nauhojen leveyden kasvaessa atomi kerrallaan joka kolmannen leveyden pitäisi olla lähes metallinen ja sen energia-aukon erittäin pieni.

"Kvanttimekaniikan mukaan järjestelmän pienentäminen tavallisesti kasvattaa energia-aukkoa. Grafeeni toimii eri tavalla poikkeuksellisten elektronisten ominaisuuksiensa ansiosta", sanoo laskelmat tehnyt tohtoriopiskelija Mikko Ervasti Quantum Many-Body Physics -tutkimusryhmästä.

"Tulevissa tutkimuksissa keskitymme kokonaan grafeenista valmistettuihin rakenteisiin, joissa yhdistyvät sekä metalliset että puolijohtavat grafeeni-nanorakenteet”, toteaa tutkimuksen johtaja professori Peter Liljeroth.

Tutkimus "Ultra-narrow metallic armchair graphene nanoribbons" julkaistiin Nature Communications -tiedelehdessä.

Tutkimukseen osallistuneet Atomic Scale Physics - ja Quantum Many-Body Physics -tutkimusryhmät kuuluvat Suomen Akatemian Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien (LTQ) ja Laskennallisen nanotieteen (COMP) huippuyksiköihin. Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia ja Euroopan tutkimusneuvosto ERC.

Artikkeli perustuu Aalto-ylioiston tiedotteeseen.

@suoranalabrasta on tällä viikolla Oulussa – twiittaajana Jari Hannu

Ma, 11/09/2015 - 13:16 Jari Mäkinen
Jari Hannu

Nyt mennään Ouluun! Tällä viikolla @suoranalabrasta -twitterprojektissa twiittaajana on Jari Hannu Oulun yliopistosta.

Hän toimii yliopisto-opettajana elektroniikan komponenttien ja materiaalien saralla Mikroelektroniikan ja materiaalifysiikan laboratoriossa Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnassa.

"Labrassa tutkitaan ja kehitetään elektroniikan materiaaleja ja komponentteja mitä erilaisempiin tarkoituksiin", kertoo Jari ja jatkaa: "Labrasta löytyy taitoa ja tietoa aina materiaalin kehityksestä aina komponenttien valmistukseen ja niiden karakterisointiin. Tällä hetkellä kiinnostuksen kohteena ovat mm. muovi-keraami-komposiitit antureiden materiaaleina sekä pietsosähköiset energiankeräimet. "

"Olen koulutukseltani sähkötekniikan DI, jonka päälle olen väitellyt vielä samalta alalta. Tehtäviini kuuluu opetuksen lisäksi tutkimusta ja kasapäin byrokratiaa. Tällä viikolla ohjelmassa on paljon opetukseen liittyviä tehtäviä, mutta kaipa jonkin verran tutkimukseenkin päästään mukaan."

Koska kyseessä on ensimmäinen kerta kun @suoranalabrasta vierailee Oulussa, on luvassa myös yliopiston perusesittelyä.

Viikon aikana Jari käyttää oma twitter-tiliään @jarihannu ja hastagiä #suoranalabrasta, ja kaikki twiitit tulevat niin @suoranalabrasta -tilille kuin listauksena tähän allekin. Viikon lopuksi näistä kootaan jälleen Storify-tarina.