Atominohuiden rakenteiden piti olla sula mahdottomuus.




Julkaistu Tiede-lehdessä 4/2009

Työviikon päätteeksi Konstantin Novoselovilla oli tapana hieman irrotella työtoveriensa kanssa. Manchesterin illan hämärtyessä tutkijat päästivät mielikuvituksensa valloilleen yliopiston fysiikan laboratoriossa ja testasivat hassuimmat ideansa käytännössä.

Useimmat koejärjestelyistä eivät toimineet, mutta vuonna 2004 erään perjantai-illan puuhastelu tuotti napakympin. Löytyi tapa valmistaa yhden atomikerroksen paksuisia hiilikalvoja eli grafeeneja.

- Näimme, että siinä sitä nyt on. Kaikki todellakin alkoi siitä illasta, Novoselov kertoo.


Oli todistettu mahdottomaksi

1930-luvulla teoreettiset fyysikot laskivat, että yhden atomikerroksen paksuiset rakenteet eivät ole mahdollisia, sillä atomien lämpöliike hajottaisi ne. Vuosikymmenten mittaan lukuisat havainnot vahvistivat tämän: eri materiaaleista valmistetut kalvot hajosivat, kun niitä ohennettiin äärimmilleen. Siksi grafeenin löytyminen tuli täytenä yllätyksenä.

Valmistusmenetelmä on hämmästyttävän yksinkertainen ja kenen tahansa toistettavissa vaikka kotisohvalla. Näin se käy:

Ota pala tavallista teippiä ja hippunen grafiittia, siis esimerkiksi lyijykynän "lyijyä". Paina teippi kiinni grafiittiin ja irrota varovasti. Teippiin jää ohuita grafiittilastuja. Paina sitten tämä teippi kiinni toiseen teipinpalaseen ja irrota palaset toisistaan. Nyt jälkimmäiseen teippiin on tarttunut lastujen päällimmäinen kerros. Toista tätä, kunnes pääset atominohuisiin kerroksiin.


Teippi ei sovi teollisuuteen

Vaikeampi tehtävä onkin sitten analysoida, mitkä syntyneistä tuhansista pienistä hiutaleista ovat kaikkein ohuimpia ja miten ohuita ne oikeastaan ovat. Manchesterilaistutkijat onnistuivat löytämään keinon, jolla tarkkaa optista mikroskooppia käyttäen saadaan määritettyä hiilikalvojen paksuus. He tuottivat yhä ohuempia kalvoja, kunnes lopulta pääsivät yhteen atomikerrokseen. Idean isä, professori Andre Geim nimesi kalvot grafeeniksi.
On helppo arvata, että teippimenetelmä ei sovellu grafeenin teolliseen tuottamiseen. Olennaisesti parempaakaan valmistustapaa ei ole vielä keksitty, mutta yritys on kova.

- Edistystä tapahtuu koko ajan, Novoselov kertoo. - Meidän menetelmällämme voidaan nyt tuottaa kalvoja, joiden halkaisija on 0,1 millimetrin luokkaa. Tämä riittää tutkijoiden kaikkiin tarpeisiin, mutta ei sovelluksiin.

Kun grafeenin teolliset tuotantomenetelmät keksitään, raaka-ainepulaan ei ainakaan törmätä, sillä lähtöainetta eli hiiltä on saatavilla rajattomasti ja olemattomaan hintaan.


Elektronit kiitävät estotta

Grafeenin keksijät ovat tutkineet uuden materiaalin ominaisuuksia perinpohjaisesti. Kokeiden tuloksissa on riittänyt yllätyksiä. - Olen jo hävinnyt lukuisia vetoja, Novoselov naurahtaa. - Monissa tapauksissa on ollut mahdotonta ennustaa grafeenin ominaisuuksia, ja juuri siitä me fyysikot pidämme.

Grafeeni on äärimmäisen vahvaa mutta silti joustavaa. Poikkeuksellisten mekaanisten ominaisuuksiensa lisäksi sillä on ainutlaatuiset sähköiset ominaisuudet.

Sähköä johtavissa materiaaleissa varauksenkuljettajat eli elektronit törmäilevät jatkuvasti muihin aineen rakenneosasiin. Grafeenin elektronit ovat erilaisia: ne käyttäytyvät massattomien valohiukkasten eli fotonien tavoin ja etenevät vauhdikkaasti. Niiden nopeus¬ on peräti kolmassadasosa valon nopeudesta eli 1 000 kilometriä sekunnissa.

Grafeenissa viilettävät elektronit eivät juuri huomaa kidehilan virheitä, eikä hidastavia törmäyksiä satu. Kun grafeenia vielä voidaan valmistaa harvinaisen virheettömästi, tuloksena on materiaali, jossa elektronit liikkuvat ennennäkemättömän liukkaasti.


Transistori syntyi jo

Grafeenista valmistetut elektroniset komponentit, kuten transistorit, olisivat selvästi nopeampia kuin nykyiset piipohjaiset laitteet. Grafeenista onkin povattu seuraavan sukupolven materiaalia, joka mullistaa koko elektroniikkateollisuuden.

Grafeenilla voi tehdä kaiken minkä piillä, mutta paljon paremmin, Novoselov uskoo.

Uskosta tulevaan kehitykseen kertoo myös se, että alan suuryritykset, kuten Nokia, osallistuvat aktiivisesti tutkimukseen, jopa grafeenin perusominaisuuksien kartoittamiseen.

Grafeenista on jo onnistuttu valmistamaan yksittäisiä transistoreita. Grafeenipohjaiset tietokoneet ja muut logiikkapiirejä sisältävät laitteet ovat kuitenkin vielä pitkän, ehkä vuosikymmenten tien takana.

- Lähempää tulevaisuutta ovat luultavasti suurtaajuuksiset transistorit, Novoselov kertoo. Tällaisia transistoreita voitaisiin hyödyntää erilaisissa telekommunikaatio- ja kuvantamissovelluksissa. Erityisen kiinnostava sovellus grafeenitransistoreille ovat uudentyyppiset, terahertsialueella kuvaavat turvatarkastuslaitteeet. Lentokentillä ja tulleissa ne näkisivät piilotetut aseet tai muut epäilyttävät esineet.


Aurinkokennot halpenisivat

- Aivan ensimmäiset elektroniikkasovellukset perustunevat johtaviin, läpinäkyviin grafeeniohutkalvoihin, Novoselov ennustaa. - Näitä ovat esimerkiksi aurinkokennot ja litteät näytöt.

Nykyiset piipohjaiset aurinkokennot ovat kalliita ja hyötysuhteeltaan huonoja. Tähän mennessä ohutkalvokennojen kehittäminen on kuitenkin ollut takkuista.

Ohutkalvokennojen päällimmäisen kerroksen tulee olla läpinäkyvä ja hyvin sähköä johtava. Jos se olisi grafeenista, kennojen valmistusprosessi yksinkertaistuisi huomattavasti. Samalla se halpenisi, mikä mahdollistaisi kennojen mittavan käytön myös köyhissä maissa.

Toisin kuin nykyiset materiaalit grafeenikalvo päästää näkyvän valon lisäksi lävitseen infrapunasäteilyn. Grafeenilla pinnoitetut kennot pystyisivät siten valjastamaan energiantuotantoon suuremman osan niihin osuvasta auringon energiasta, eli kennojen hyötysuhde paranisi huomattavasti. Koska grafeeni on kestävää, kennot luultavasti  kestäisivät vuosikymmenten sateet ja paisteet.


Kuvaruudusta ohuen ohut

Grafeenin ennustetaan valtaavan paikkansa myös olohuoneissamme. Kuten aurinkopaneeleissa, myös televisioiden ja tietokoneiden litteissä nestekidenäytöissä tarvitaan valoa läpäisevä elektrodipinta. Nykyisissä laitteissa tämä kerros on valmistettu harvinaista indiummetallia sisältävästä yhdisteestä, mutta maapallon indiumvarantojen arvellaan ehtyvän noin kymmenen vuoden kuluttua.

Grafeeni vaikuttaa ihanteelliselta indium-yhdisteiden korvaajalta. Televisiokuvan tuottamiseen riittäisi ohuen ohut, vain yhden atomikerroksen paksuinen grafeenipinta.

Toistaiseksi grafeeninäyttöjä ja -aurinkokennoja on vasta hahmoteltu tutkimuslaboratorioissa. Matka ideasta kaupan hyllylle voi kuitenkin olla yllättävän lyhyt, sillä nykytekniikka istuisi miltei sellaisenaan grafeeniin. Pullonkaulana on vain se, ettei grafeenin mittavaan valmistukseen ole vielä tehokasta menetelmää.


Tuleeko soitto Tukholmasta?

Kaksidimensioisia materiaaleja on luultavasti mahdollista valmistaa lukuisista muistakin aineista kuin hiilestä. Tähän asti sekä kokeellinen että teoreettinen tutkimus on keskittynyt grafeeniin, jolta odotetaan suuria.

- Jos edes kymmenesosa sovellusideoista toteutuu, grafeenista tulee jättimenestys, Konstantin Novoselov toteaa.

Silloin Geim ja Novoselov olisivat myös itsestään selviä Nobelin palkinnon saajia.

Nobel täydentäisi hyvin hulluja ideoita rakastavan professori Geimin palkintokaappia. Siellä nimittäin komeilee jo huuhaa-nobeliksi tituleerattu palkinto, Ig-Nobel. Sen Geim sai vuonna 2000 levitoivaa sammakkoa koskevasta tutkimuksestaan. Näitä aitoja nobeleita parodioivia tunnustuksia jaetaan tutkimuksista, jotka "saavat ihmiset ensin nauramaan ja sitten ajattelemaan".


Laura Koponen on diplomi-insinööri ja tiedetoimittaja. Hän tekee väitöskirjaa materiaalifysiikasta.



Viisi syytä jättimenestykseen
















Ominaisuudet
- mekaanisilta ominaisuuksiltaan vahvin tunnettu materiaali
- sähkönjohtavuus poikkeuksellisen hyvä
- läpinäkyvä
Valmistus

- useita menetelmiä pienten grafeenipintojen valmistamiseen, ennätys neliösentin kokoinen ala
- massatuotanto-menetelmät puuttuvat

Kehitteillä olevia käyttökohteita - aurinkokennot
- litteät näytöt
- transistorit
- kemialliset anturit
Ehdotettuja käyttökohteita - vedyn varastointi vetyautoissa
- kvanttitietokoneet
Johdannaismateriaaleja
- grafeenioksidi (vahvikemateriaali,  akkumateriaali)
- piiyhdisteet (elektroniikkasovellukset)

Hiilestä on moneksi


Elollisessa luonnossa hiili muodostaa mitä moninaisimpia yhdisteitä yhdessä hapen, vedyn, typen ja muiden alkuaineiden kanssa. Yksinkin esiintyessään hiili on erityisen monipuolinen alkuaine.

Timantti on hiiltä, jossa atomit ovat järjestyneet säännölliseksi kolmiulotteiseksi hilarakenteeksi. Lyijykynien "lyijy" eli musta ja tahraava grafiitti puolestaan muodostuu päällekkäin pinoutuneista hiilitasoista.

1980-luvun sensaatioita olivat fullereenit ja nanoputket. Niiden ensimmäiset sovellukset, kuten nanoputkilla vahvistetut sukset, ovat jo kaupoissa.

Sittemmin on myös kehitetty erilaisia sekarakenteita, esimerkiksi "nanosipuleita", jotka maatuskanukkejen tavoin koostuvat sisäkkäisistä fullereeneista. Suomessa on luotu materiaali, jossa nanoputken pinta on täynnä siihen kiinnittyneitä fullereeneja, nanonuppuja.

Hiilen kaksiulotteinen olomuoto, grafeeni, piiloutui tutkijoilta viime vuosiin asti. 2004 löydetty grafeeni on hiilikalvoa, jota ohuempaa ei voi olla: siinä on ainoastaan yksi atomikerros. Hiiliatomit ovat järjestyneet kuusikulmioiksi, kuten fullereeneissa ja nanoputkissa.

Millimetrin paksuisessa grafiittipalassa on grafeenikerroksia peräti kolme miljoonaa!


Grafeeni innostaa kvanttimekaanikkoja


Grafeenin elektronit ovat ainutlaatuisen vauhdikkaita. Näennäisen massattomuuden ja suuren nopeuden takia niiden liikkeen kuvaamiseen tarvitaan järeät työkalut: suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka.

Tavallisissa laboratorioissa elektroneja ei pystytä kiihdyttämään lähellekään valon nopeutta. Grafeenia tutkimalla päästään siis tarkastelemaan ilmiöitä, joita yleensä havaitaan vain äärimmäisissä oloissa - neutronitähtien räjähdyksissä tai alkuräjähdyksen jälkeisinä hetkinä. Maan pinnalla lähelle tällaisia oloja on aiemmin päästy vain hiukkaskiihdyttimissä.

Fysiikan tutkijat eri puolilla maailmaa suunnittelevat, miten grafeenin avulla saataisiin näytettyä toteen eksoottisia, teorioiden ennustamia ilmiöitä. Tällainen on esimerkiksi Kleinin paradoksi.

Kun pallo heitetään seinään, se kimpoaa takaisin. Kvanttimekaniikassa hiukkanen voi myös kulkea seinän läpi; tätä kutsutaan tunneloitumiseksi. Kleinin paradoksi sanoo, että kun hiukkasella on tarpeeksi nopeutta, se menee aina seinän läpi, oli seinä miten tukevaa tekoa tahansa.

Ilmiö saadaan esiin koejärjestelyllä, jossa grafeenipalaan kohdistetaan ulkoinen sähkökenttä ja havainnoidaan elektronien liikettä. Periaate on yksinkertainen, mutta käytännössä kokeet ovat vaativia. Ilmiö on kuitenkin jo onnistuttu todentamaan, ja lisätutkimukset ovat meneillään.

Kevään ihme pilkottaa pienissä sanoissa.

Talven jäljiltä väritön maisema herää eloon, kun iloista vihreää pilkistelee esiin joka puolelta.

Tätä kasvun ihmettä on aina odotettu hartaasti, ja monille ensimmäisille kevään merkeille on annettu oma erityinen nimityksensä, joka ei viittaa mihinkään tiettyyn kasvilajiin vaan nimenomaan siihen, että kysymys on uuden kasvun alusta.

Kasvin, lehden tai kukan aihetta merkitsevä silmu on johdos ikivanhaan perintösanastoon kuuluvasta silmä-sanasta. Myös kantasanaa silmä tai tämän johdosta silmikko on aiemmin käytetty silmun merkityksessä.

Norkko on ilmeisesti samaa juurta kuin karjalan vuotamista tai tippumista merkitsevä verbi ńorkkuo. Myös suomen valumista tarkoittava norua kuulunee samaan yhteyteen. Rennosti roikkuvat norkot näyttävät valuvan oksilta alas.

Lehtipuun norkkoa tai silmua merkitsevällä urpa-sanalla on laajalti vastineita itämerensuomalaisissa sukukielissä, eikä sille tunneta mitään uskottavaa lainaselitystä. Näin ollen sen täytyy katsoa kuuluvan vanhaan perintösanastoon.

Nykysuomalaisille tutumpi urpu on urpa-sanan johdos, ja samaa juurta on myös urpuja syövän linnun nimitys urpiainen.

Urpa-sanan tapaan myös vesa on kantasuomalaista perua, koskapa sana tunnetaan kaikissa lähisukukielissä.

Taimi-sanaa on joskus arveltu balttilaiseksi lainaksi, mutta todennäköisempää on, että se on kielen omista aineksista muodostettu johdos. Samaa juurta ovat myös taipua- ja taittaa-verbit.

Itu on johdos itää-verbistä, joka on ikivanha indoeurooppalainen laina. Oras puolestaan on johdos piikkiä tai piikkimäistä työkalua merkitsevästä indoiranilaisesta lainasanasta ora. Verso on myös selitetty hyvin vanhaksi indoiranilaiseksi lainaksi.

On mahdollista, että maanviljelytaitojen oppiminen indoeurooppalaisilta naapureilta on innoittanut lainaamaan myös viljakasvien alkuihin viittaavia sanoja.

Kevään kukkiva airut on leskenlehti. Vertauskuvallinen nimi johtuu siitä, että kasvi kukkii suojattomana ilman lehdistöä, joka nousee esiin vasta kukkimisen jälkeen. Vaatimattomasta ulkonäöstä huolimatta leskenlehden ilmestyminen on pantu visusti merkille, ja sille on kansankielessä kymmeniä eri nimityksiä. Yksi tunnetuimmista on yskäruoho, joka kertoo, että vanha kansa on valmistanut kasvista rohtoja etenkin hengitysteiden tauteihin.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehdessä 5/2018

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

Tieteessä 5/2018

 

PÄÄKIRJOITUS

Päätön paremmuus järjestys 

Suosituissa lukiovertailuissa ei ole kovin paljon järkeä.

 

PÄÄUUTISET

Etevä laskee sormin

Menetelmä toimii paremmin kuin päässälasku.

Kuitu vaalii verensokeria

Runsaskuituinen dieetti korjasi diabeetikoiden glukoosiarvot.

Vapaus vie vakiouralle

Tasa-arvon maissa tytöt karttavat teknisiä ja tieteellisiä aloja.

Ihminen pihistelee unta

Muut kädelliset vetävät sikeitä jopa 15 tuntia vuorokaudessa.

 

ARTIKKELIT

Liiku viisaasti

Monen into lopahtaa vaativiin harjoitusohjelmiin.
Treeni maistuu, kun tuntee muutaman faktan.

Koira syntyi pohjoisessa

Ihminen ja susi tutustuivat jääkauden haaskalla.
Vanhin näyttö elämäntoveruudesta tulee Belgiasta.

Taivaallamme kulkevat sään jättiläiset

Keskileveyksien matalat ovat ilmojen titaaneja.
Ne selittävät, miksi Suomessa on niin epävakaista.

Aivot näkevät harhoja

Kalliotaiteen oudot kuvajaiset tuotti muuntunut
tietoisuus. Se syntyy meidänkin aivoissamme.

Metso kukkoilee koko kevään

Tiluksilla rehvastelu alkaa jo helmikuussa.
Sodaksi taistelu naaraista yltyy vapun tienoilla.

Rooma kaatui rahapulaan

Supervallan tuhoon on tarjottu satoja syitä.
Tapahtumat etenivät luultua raadollisemmin.

 

TIEDE VASTAA

Miksi ensimmäinen lettu epäonnistuu?

Miten gorilla saa lihakset kasvisruoalla?

Miksi pikaliima ei tartu tuubinsa sisäseiniin?

Kuinka kaukana on etäisin galaksi?

Onko hyönteisillä reviirejä?

Mistä juontuvat sanat minä ja itse?

 

KIRJAT

Rikos ei houkuta niin kuin ennen

Länsimaat löysivät uudelleen itsehillinnän.

 

KUVA-ARVOITUS

Siinähän on ihan selvästi...

Klassikkopalsta kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia
lehden Facebook-sivustolle.

 

OMAT SANAT

Tässä on itua

Kevään ihme pilkottaa pienissä sanoissa.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.