Timanttipintoja rakennetaan kemiallisin keinoin. Uudenlaiset timantit auttavat tekemään entistä huikeasti nopeampia transistoreita ja pienempiä mikropiirejä.

TEKSTI:Risto varteva

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Timanttipintoja rakennetaan kemiallisin keinoin. Uudenlaiset timantit auttavat tekemään entistä huikeasti nopeampia transistoreita ja pienempiä mikropiirejä.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

 


Julkaistu Tiede-lehdessä

2/2000



Timantit ovat ikuisia, sanoo vanha viisaus. Ikuisuusmyytti kuitenkin romuttui jo 1772, kun ranskalainen kemisti Antoine Lavoisier sai timantin palamaan ja osoitti, että tuloksena oli hiilidioksidia. Myöhemmin varmistettiin, että timantti on pelkkää hiiltä. Kiderakenteeltaan timantti on pyramidimaista, mikä tekee siitä erittäin kovaa ja kestävää. Paljon tutumpaa hiilen kidemuotoa on "lyijykynien" grafiitti, jossa kiteet muodostavat toistensa suhteen helposti liukuvia levyjä. Palamisessa syntyvä noki taas on amorfista, eli hiiliatomit ovat sikin sokin muodostamatta kiteitä.

Fyysikot selittävät hiilen monimuotoisuuden sillä, että atomit muodostavat keskenään erilaisia sidoksia. Hiiliatomin elektronikehän kvanttimekaanisista ominaisuuksista johtuen sidoksilla on nimitykset sp1, sp2 ja sp3.

Timantti on kolmiulotteista sp3-hiiltä, grafiitti kaksiulotteista sp2-hiiltä ja amorfinen hiili sp3:n ja sp2:n seosta. Yksiulotteisia sp1-hiilijonoja on hiilivedyissä.

Siitä vaan tekemään timantteja: eihän tarvitse kuin vaihtaa sp2- tai sp1-sidos sp3:ksi!

Yksinkertaista, rakas Watson, mutta käytännön tie on kivikkoinen.

Nyt kemian keinoin

Timanttipinnoitteita on pitkään tehty höyrystämällä grafiittia, jolloin osa hiiliatomeista alkaa lentää vapaasti. Näin saadaan hyvin ohutta hiilihöyryä. Sen atomit vauhditetaan sähkökentällä, niin että ne iskeytyvät kohdekappaleen pintaan. Tällaista timanttipinnoitusta on käytetty työstöterien ja tekonivelien pinnoitukseen


Tulevaisuus lupaa kuitenkin myös muita sovelluksia, kertoo tekniikan tohtori Markus Kaukonen. Hän tutki väitöskirjatyössään keinoja, joilla timanttikerros voitaisiin tuottaa aiempaa hallitummin.

- Lupaava menetelmä on CVD eli kemiallinen tyhjiöhöyrystys, chemical vapor deposition, Kaukonen kertoo. - Hiilihöyryn mukana oleva vety pitää hiiliatomit sp3-tilassa, jolloin ne pintaan tarttuessaan alkavat muodostaa timanttikiteitä. Siitä tulee hyvää timanttia, koska kiteiden rakentumista säädellään kemiallisilla reaktioilla.

Timanttitransistorit tulevat

Kaukonen ei lupaile suuria teknisiä mullistuksia; tutkijat ovat aina varovaisia ennustuksissaan. Mahdollisuudet ovat kuitenkin periaatteessa huikeat.

Otetaan esimerkiksi transistorit. Tähän saakka ne on yleensä tehty seostamalla piihin pieni määrä vieraita atomeja, jotka muuttavat puolijohteen sähkönjohtavuutta halutulla tavalla. Kaukosen mukaan timantilla voi tehdä samaa.

Timanttitransistorin nousuaika eli se miten nopeasti transistori reagoi siihen tulevaan signaaliin, saattaa olla vain tuhannesosa nykyisten transistorien nousuajasta. Näin päästäisiin suorittimiin, joiden kellotaajuus on nykyisten satojen megahertsien sijasta satoja tuhansia megahertsejä.

Timantin tiukka kiderakenne merkitsee myös hyvää lämmönjohtavuutta. Mikropiirit saadaan entistä pienemmiksi, koska sähkövirran tuottama hukkalämpö voidaan tehokkaasti ohjata pois kuumentamasta piiriä.

Markus Kaukosen väitöskirja timanttien ja timantinkaltaisten aineiden tuottamisesta ja ominaisuuksista tarkastettiin Teknillisessä korkeakoulussa joulukuussa. Tällaisia asioita tutkitaan siellä Laskennallisen materiaalifysiikan tutkimusryhmässä COMP:ssa, joka on yksi Suomen Akatemian huippuyksiköistä. Sen johdossa ovat professori Pekka Hautojärvi ja akatemiaprofessori Risto Nieminen.

Lisää supervauhtia Otaniemeen

Pohjoismaiden tehokkain tietokonelaitteisto, Espoon Otaniemessä sijaitseva Cray T3E, laajennettiin tammikuun lopulla kaksinkertaiseksi: uudessa kokoonpanossa on peräti 540 suoritinta, ja sen teoreettinen nopeus on yli 400 miljardia laskutoimitusta sekunnissa. Laajennus ostettiin käytettynä Ranskan atomienergiakomissiolta.

Uudistettuna Cray T3E on maailman 33. tehokkain kone, kertoo tiedotuspäällikkö Ari Turunen CSC-Tieteellinen laskenta Oy:stä.

Laitteistolla ajetaan ohjelmia, jotka soveltuvat erityisesti rinnakkaislaskentaan. Niitä ovat muun muassa sääennustukset. Teholaskentaa vaativat myös materiaalifysiikan simulaatiot, joissa tutkitaan atomin kokoisten rakenteellisten virheiden vaikutusta puolijohteiden sähköisiin ominaisuuksiin.

Vanhalla koneella asiakkaiden jonotusajat saattoivat kasvaa harmillisen pitkiksi. Laajennuskin on vain väliaikainen ratkaisu. Uusi superkone on jo haussa ja saataneen vuonna 2001. (RV)

Otaniemen tietokonehanke:


www.csc.fi/raportit/gc/

Pyrstö pois lentokoneesta

Yhdysvalloissa kehitellään Manta-sotilaskonetta, jonka ohjaamiseen ei tarvita siivekkeitä eikä sivuperäsintä, kertoo New Scientist.

Ohjauksen hoitaisi tietokone, joka muuttaisi pakokaasusuihkujen suuntaa tarkasti sen mukaan, miten ohjaaja haluaa koneen lentävän. Näin lentokoneen rakenne saadaan yksinkertaiseksi ja myös halvaksi.

Hankkeen nimi Manta on lyhenne sanoista Multi-Axis No-Tail Aircraft eli moniakselinen pyrstötön lentokone. Sillä on myös koodinimi X-44a.

Virtuaalitodellisuutta niin että lentäjääkin pyörryttää

Maailman tehokkain ja siksi myös aidoimmin oikeaa ympäristöä jäljittelevä laite on Middlesboroughin yliopiston virtuaalitodellisuuden tutkimuslaboratoriossa Englannissa.

Mielikuva todellisuudesta tuotetaan kuudella videotykillä, joiden antamat kuvat täyttävät pallomaisen kuvun sisäpinnan. Ääni voidaan ohjata kuulijan korviin mistä suunnasta tahansa.

Laite tuli maksamaan noin 15 miljoonaa markkaa. Rahoitusta saatiin myös muilta EU-mailta.

Kupua on ehditty jo käyttää apuna, kun on suunniteltu, miten historiallisia tapahtumapaikkoja entistetään turistinähtävyyksiksi. Lentosimulaattorina se luo niin todellisen tuntuman, että ammattilentäjienkin päätä huimaa.

Lattia pelastaa vaarit ja mummot murtumilta

Synkimpien ennusteiden mukaan 19 000 suomalaista kaatuu lonkkansa säpäleiksi vuonna 2030. Ikääntymisen lietsoma ilmiö on tuttu kaikissa länsimaissa.

Pennsylvanian valtionyliopiston Donald Streit on tarttunut tilaisuuteen ja pantentoinut lattian, joka taipuu hieman ennen kuin ihminen tömähtää sen pintaan. Vanhainkotien koekäytössä uuden materiaalin on havaittu heikentävän iskun vaikutusta peräti 40 prosentilla.

Streitin uretaanilattia koostuu kahdesta kerroksesta, joiden välissä on joustavat tukipilarit. Pilarit pysyvät ruodussa kenkien ja pyörätuolin alla mutta lysähtävät muutaman minuutin ajaksi, kun niiden päälle rojahtaa tavallista raskaampi paino.

Keksittiin "t-romppu"

Heidelbergissa Saksassa sijaitsevassa Euroopan medialaboratoriossa tehtiin hämmästyttävä havainto: tavallisen teippirullaan voidaan tallentaa valtavasti tietoa.

Temppu tehdään siten, että lasersäteellä poltetaan teippiin pieniä kuoppia ja nystyjä samaan tapaan kuin tehdään laserlevyissäkin.

Toistaiseksi tämä t-rom eli teippiromppu on vain kiintoisa kokeilu, mutta siitä on ehkä kehitettävissä käyttökelpoinen massamuisti.

Syntyikö tutkimuksesi tuloksena innovaatio, joka on jo kenties matkalla kaupalliseksi tuotteeksi?


Kerro meille keksinnöstäsi:


tiede@sanomamagazines.fi

Sisältö jatkuu mainoksen alla