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.

Hyvä harrastus – ja helppo. Lukemista löytyy aina. Kuva: Shutterstock

Kieli rikastuu, ajattelu syvenee ja sosiaalinen taju kehittyy.

Tietokirjan järki on selvä: saa tietoa, jolla jäsentää maailmaa ja vaientaa mutuilijat. Riittävästi tietoa hankkimalla tulee asiantuntijaksi, ja sillä on selvä hyötyarvo.

Entä missä on fiktion lukijan tulosvastuu? Mitä itua on kuluttaa aikaansa tuntitolkulla hatusta vedettyjen ihmisten hatusta vedettyihin edesottamuksiin? Paljonkin: romaani tai novelli opettaa toimimaan muiden ihmisten kanssa.

Fiktio simuloi sosiaalista maailmaa, esittää asiaa tutkinut Toronton yliopiston psykologian professori Keith Oatley. Niin kuin lentosimulaattori opettaa lentotaitoja, sosiaalisten tilanteiden simulaattori – romaani – opettaa sosiaalisia taitoja.

Kokeet vahvistavat, että fiktiota lukeneet tajuavat paremmin so­siaalisia kuvioita kuin tietotekstiä lukeneet. 

Suvaitsevaisuus kasvaa

Kuvitteellisesta tarinasta on sekin ilo, että pääsee väliaikaisesti jonkun toisen nahkoihin. Samastuminen tarinan henkilöön voi muuttaa lukijan käyttäytymistä ja pistää asenteet uusiksi, ovat kokeillaan osoittaneet Ohion yliopiston tutkijat.

Samastumisella on vaaransa. Romaanin aiheuttama itsemurha-aalto koettiin 1700-luvun lopulla, kun nuoret onnettomat miehet matkivat Johan Wolfgang von Goethen päähenkilön tekoa Nuoren Wertherin kärsimyksissä.

Ohiolaistutkimuksessa vaikutus oli rakentavampi: kun nuoret aikuiset olivat lukeneet tarinan miehestä, joka meni äänestämään, he menivät hanakammin vaaliuurnille vielä viikon kuluttua lukemisesta. He olivat saaneet kansalaishyvetartunnan.

Valkoihoisten suvaitsevaisuutta taas kasvattivat tarinat, joissa päähenkilö osoittautui homoseksuaaliksi tai afroamerikkalaiseksi. Lukijoilta karisi myös stereotypioita. Tämä kuitenkin edellytti, että päähenkilön ”erilaisuus” paljastui vasta tarinan myöhemmässä vaiheessa ja lukijat olivat ehtineet asettua hänen nahkoihinsa.

Stressi väistyy

Kun uppoutuu lukemaan, maailman meteli jää kauas ja paineet hellittävät. Tuttu tunne, josta on myös tieteelliset näytöt: lukeminen poistaa stressiä.

Terveystieteen opiskelijat saivat Yhdysvalloissa tehdyssä tutkimuksessa lukeakseen netistä ja aikakauslehdestä poimittuja artikkeleita, jotka käsittelivät historiallisia tapauksia ja tulevaisuuden innovaatioita. Aihepiirit olivat siis kaukana tenttikirjojen pakkolukemistosta.

Puolentunnin lukutuokio riitti laskemaan verenpainetta, sykettä ja stressin tuntua. Huojennus on yhtä suuri kuin samanpituisella joogahetkellä tai televisiohuumorin katselulla. Mikä parasta, apu löytyy helposti, lukemista kun on aina saatavilla.

Sanasto karttuu

Kirjoitettu kieli on ylivoimaisesti suurempi uusien sanojen lähde kuin puhuttu. Erot lasten sanavaraston runsaudessa voi johtaa suoraan siihen, miten paljon he altistuvat erilaisille teksteille, vakuuttavat lukemisen tutkijat Anne Cunningham ja Keith Stanovich.

Tiuhimmin uutta sanastoa kohtaa tieteellisten julkaisujen tiivistelmissä: tuhatta sanaa kohti harvinaisia on peräti 128. Sanoma- ja aikakauslehdissä harvinaisten sanojen tiheys nousee yli 65:n ja aikuisten kirjoissa yli 50:n.

Lastenkirjakin voittaa sanaston monipuolisuudessa televisio-ohjelman mennen tullen. Lapsilukija kohtaa kirjassa yli 30 harvinaista sanaa tuhatta kohti, kun aikuisten telkkariviihdettä katsoessa niitä tulee vastaan 23 ja lastenohjelmissa 20.

Juttelukaan ei pahemmin kartuta sanavarastoa. Aikuispuhe sisältää vain 17 epätavallista sanaa tuhatta kohti.

Syntyy omia ajatuksia

Ihmisen aivoja ei ole ohjelmoitu lukemaan. Kun taito kehittyi 5 500 vuotta sitten, näkemiseen, kuulemiseen, puhumiseen ja ajatteluun rakentuneet alueet alkoivat tehdä uudenlaista yhteistyötä.

Nyt olemme jälleen uudenlaisen lukukulttuurin alussa. Verkkolukeminen on tullut jäädäkseen, ja jotkut pelkäävät, että tyhmistymme, kun totutamme aivomme ärsyketulvaan ja pikaselailuun netissä. Tiedonvälitys on lisääntynyt räjähdysmäisesti mutta niin myös häly.

Syventyvän lukemisen kohtalosta kantaa huolta professori Maryanne Wolf Tufts-yliopistosta. Tapaa näet kannattaisi vaalia. Aivokuvaukset paljastavat, että paneutuva lukija käyttää laajasti molempia aivopuoliskojaan. Hän ei vain vastaanota kirjoittajan sanomaa vaan vertaa sitä aiemmin hankkimaansa tietoon, erittelee sitä ja rakentaa omaa ajatteluaan. Pintalukijalla ei tähän ole aikaa.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 12/2012 

Täysin raittiiden suomalaisnuorten osuus on moninkertaistunut vuosituhannen alusta.

Nuoruus raitistuu, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Nuorten alkoholin käyttö kasvoi vuoteen 1999, joka oli myös kaikkein kostein vuosi. Silloin vain joka kymmenes yhdeksäsluokkalainen ilmoitti, ettei ollut koskaan käyttänyt alkoholia.

Sittemmin täysin raittiiden osuus on moninkertaistunut, ilmenee vuoteen 2015 ulottuneesta eurooppalaisesta, nuorten päihteidenkäyttöä käsittelevästä Espad-tutkimuksesta.

Jopa muut eurooppalaiset jäävät jälkeen. Suomessa täysin raittiita 15–16-vuotiaista nuorista on joka neljäs, kun Euroopassa heitä on keskimäärin joka viides.

Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen THL:n erikoistutkija Kirsimarja Raitasalo kollegoineen on ­koettanut tunnistaa niitä nuoruuden muutoksia, jotka voisivat selittää humalan hiipumista.

Ratkaisevaa näyttää olleen ainakin se, että alaikäisten on yhä vaikeampi saada alkoholia. Nykynuoret kokevat sen selvästi hankalammaksi kuin aiemmat ikäpolvet.

Kauppojen omavalvonta on osaltaan tehonnut. Kassoilla kysytään kaikilta alle 30-vuotiaan näköisiltä papereita.

Vanhemmat ja muutkin aikuiset ovat tiukentaneet asenteitaan nuorten juomiseen.

”Tietoisuus alkoholin haitoista on ehkä lisääntynyt. On tullut paljon tutkimustietoa esimerkiksi siitä, miten alkoholi vaikuttaa nuorten aivojen kehitykseen”, Raitasalo pohtii.

Nuorten omakin maailma on muuttunut toisenlaiseksi. Älylaitteet, pelit ja sosiaalinen media kyllästävät arkea. Pussikaljoittelu joutuu kilpailemaan monen muun kiinnostavan ajanvietteen kanssa ja on ehkä osittain hävinnyt niille.

Juovuksissa olemisesta on ehkä tullut myös tyylirikko. Nuoret eivät enää näytä arvostavan kännissä örveltämistä.

Kysely

Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Neutroni
Seuraa 
Viestejä25796
Liittynyt16.3.2005

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Käyttäjä4809 kirjoitti: Eiköhän syy ole -90 luvulla alkaneen laman menetetyt työpaikat ja samalla supistettu koulutus, minkä seurauksena vuodestä -99 alkaen vanhemmilla ei enää ole ollut niin paljon rahaa annettavaksi nuorisolle. Sekä myös nuorisolle soveltuvien työpaikkojen vähentyminen ja samaan aikaan tapahtunut kohtuuton vuokrien nousu, vasinkin pääkaupunkiseudulla. En tiedä, mutta en usko rahaan. Esimerkiksi kilju, 10 % juoma joka maksaa joitain senttejä litralta, tuntuu olevan...
Lue kommentti
molaine
Seuraa 
Viestejä1189
Liittynyt3.8.2011

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

En kyllä usko, että rahalla on iso merkitys ja veikkaan, että käytettävissä olevat rahat on vain kasvaneet, jos verrataan vaikka omaan nuoruuteen. Ei viina suomessa ole niin kallista, etteikö köyhälläkin olisi varaa dokailla. Oma junnu ei läträä lainkaan viinan kanssa. Iso osa kavereistakaan ei, vaikka osa ilmeisesti jonkin verran lipittelee. Kyllä nuorten asenteet on mielestäni muuttuneet ihan selkeästi. Ehkä alkoholipolitiikka on toiminut? Kotoa ei meillä kyllä tällaista ole opittu...
Lue kommentti

Panterarosa: On selvää, että "Partitava kisaa kurupati-kuvaa" ei oikein aukene kehitysmaalaisille N1c- kalmukinperseille.