Hiiliatomeista rakentuvien nanoputkien käyttöalue ulottuu raketeista transistoreihin, mutta valmistuksessa syntyy vielä paljon sutta ja sekundaa ja putkien hinta on kova.


TEKSTI:Sisko Loikkanen

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Hiiliatomeista rakentuvien nanoputkien käyttöalue ulottuu
raketeista transistoreihin, mutta valmistuksessa syntyy vielä
paljon sutta ja sekundaa ja putkien hinta on kova.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

 


Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2003

Brittiläinen fullereenikemisti ja nobelisti Harold Kroto poseeraa mielellään kanaverkosta kääritty putki kainalossaan. Ilmeestä voi päätellä Kroton olevan iloinen ja tyytyväinen. Kainalossa on valtava suurennos hiilen nanoputkesta, jota voidaan pitää hänen oman löydöksensä ja lempilapsensa fullereenin kemiallisena pikkuserkkuna.

Fullereeni, kuudestakymmenestä hiilestä koostuva miniatyyrimäinen jalkapallo, oli aikoinaan yllätys. Ei näet osattu arvatakaan, että hiiltä esiintyy luonnossa näinkin hauskassa muodossa.

  kemistit - kenties lapsenmielisimmät - alkoivat pian leikkiä sillä. He ottivat fullereenin rakennuspalikaksi, liittivät siihen yllättäviä atomeja tai venyttivät sitä kemiallisesti.

Johtaa, kestää, taipuu, joustaa

Fullereeni osoittautui todella kiinnostavaksi: se oli kuin kemiallista muovailuvahaa, jota saattoi käyttää monenmoisiin muodonmuutosleikkeihin. Fullereenihuuman ollessa vielä nousussa, vuonna 1991, japanilaiset tutkijat vihdoin valmistivat hiilen nanoputkia. Nämä pienen pienet rullalle käärityt kanaverkot, joiden silmänä on kuudesta hiilestä kutoutunut kuusikulmio, herättivät heti tutkijoiden mielenkiinnon.

Pian kävi ilmi, että nanoputket ovat todellisia monitaitureita: ne ovat johtavia tai puolijohtavia, varsin vahvoja, taivuteltavia ja lisäksi joustavia. Ne johtavat hyvin lämpöä, ja niillä on suuri pinta-ala. Nanoputkia todettiin olevan yksiseinäisiä tai kerrosrakenteisia, eli useita nanoputkia on sisäkkäin.

Nanoputkivahvikkeisia muovikomposiitteja tutkitaan Yhdysvaltain avaruushallinnossa Nasassa, ja kukapa tietää, vaikka nanoputket matkaisivat vielä avaruuteen luotaimien rakenteissa. Selvää on, että myös muihin lujuutta vaativiin rakenteisiin - myös Maan pinnalla - nanoputket ovat tervetulleita.

Sitten käyttöön putken sisus

  tungettu jos jonkinlaista ainetta, jopa niin, että yhdisteiden on annettu reagoida kemiallisesti putken pienessä sisätilassa. Kanaverkon hiiliseinä näet näyttää rei’istään huolimatta pidättävän aineen sisässään. Mutta pidättääkö se riittävän hyvin?

 Luotettavia vetyvarastoja kaivattaisiin 20-30 vuoden kuluttua, kun vedyllä käyvät polttokennoautot yleistyvät. Tosin Yhdysvalloissa tehdyt alustavat kokeet ovat osoittaneet, että vedyn varastoiminen hiilinanoputkiin ei ole kovinkaan helppoa, ei ainakaan kaupallisessa mitassa.

Merkittävä osa nanoputkien tutkijoista pyrkii nyt kehittämään niistä elektroniikan komponentteja. Transistorit ja sensorit rakennettaisiin nanoputkista, ja optimistisimmat tutkijat ovat jopa lupailleet, että tulevaisuuden tietokoneessa integroidut piirit ja muistit perustuvat nanoputkiin.

Tästä ei transistori pienene

- Tällaisessa transistorissa elektroneja siirrellään yksi kerrallaan laitteen läpi. Elektronin liikettä valvotaan ulkoisella veräjäelektrodilla. Se on kuin hana, jonka jännitettä säätämällä elektroni voidaan pysäyttää tai päästää laitteen läpi, Hakonen selvittää.

Kvanttitietokoneeseen ja flash-muisteihin

Yhden elektronin transistori on äärimmäisen herkkä varausmittari. Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratorion johtajan, professori Mikko Paalasen mukaan sille povataan käyttöä kvanttitietokoneessa, kvanttibittien lukemiseen kun tarvitaan superherkkiä laitteita.

- Laboratoriokokeissa on myös osoitettu nanoputkitransistorien sopivan flash-muisteihin eli muisteihin, jotka kirjoitetaan uudelleen tietyin väliajoin. Koska muistin rakenneosat ovat kooltaan vain kymmeniä nanometrejä, näin voidaan rakentaa mahtava muisti, johon kyetään varastoimaan tietoa satoja gigatavuja, Paalanen kertoo.

Integroiduissa piireissä transistorien välinen langoitus tehtäisiin tasapaksuista hiilinanoputkista, jotka johtavat sähköä paljon paremmin kuin metallit.

Toistaiseksi hiilinanoputkia ei osata vielä siirrellä riittävän täsmällisesti integroiduissa piireissä, eikä niitä osata myöskään kasvattaa sopiviin paikkoihin. Paalasen mukaan kehitteillä on kuitenkin uusia, lupaavia menetelmiä nanoputkien täsmäasetteluun; esimerkkinä näistä hän mainitsee niin sanotun dna-merkkauksen.

Vielä kultaakin kalliimpia

Moniseinäisten nanoputkien uskotaan käyvän myös litteisiin näyttöihin, koska ne emittoivat elektroneja sähkökentässä. Näytöissä kutakin kuvaruudun pikseliä vastaisi oma nanoputkensa. Värinäytöissä, joissa kuva rakennetaan kolmesta väristä, pikseliin pitäisi yhdistää kolme eri nanoputkea. Alkeellisia prototyyppejä on jo ehditty kokeilla.

- Nämä eivät vielä ole ominaisuuksiltaan yhtä hyviä kuin muut näyttötekniikat, esimerkiksi nestekidenäytöt. Ne ovat myös kalliimpia. Mutta kenties 20 vuoden kuluttua teknologia voidaan ottaa käyttöön, Paalanen pohtii.

Nanoputket ovat nykyään kultaakin kalliimpia, joten ainakin toistaiseksi hinta estää niitä yleistymästä. Lisäksi massatuotannossa syntyy varsin eripituisia ja -paksuisia nanoputkia, joiden sisärakennekin vaihtelee. Niinpä tulevaisuudessa kaivataan aivan uusia täsmävalmistusmenetelmiä.

Sisko Loikkanen on Yleisradion tiedetoimittaja ja kemian diplomi-insinööri.


 


Hänen artikkelinsa nanokojeista voit lukea viime numerosta 2/03, Nanokemisti kehittää kojeita molekyyleistä.


Sisältö jatkuu mainoksen alla