Vaikka nanotekniikka rajattaisiin tiukimman määritelmän mukaan, uusia sovelluksia syntyy häkellyttävän paljon.

Teksti: Marko Hamilo

Vaikka nanotekniikka rajattaisiin tiukimman määritelmän mukaan, uusia sovelluksia syntyy häkellyttävän paljon.

Julkaistu Tiede -lehdessä 11/2010

Nanoteknologian tutkimusta rahoitetaan avokätisesti. Tutkimushanke kannattaa listata nanotekniseksi, jos sille haluaa rahaa. Ranskan valtion tieteellisen tutkimuskeskuksen (CNRS) tutkijan Christian Joachimin mukaan nanon määritelmä on nyt niin löysä, että 95 prosentissa tutkimuksista termiä nanoteknologia on käytetty väärin. CNRS international magazinen haastattelema Joachim haluaisi rajata nanoteknologian niin sanottuun alhaalta ylös -lähestymistapaan, jossa molekyylejä rakennetaan hallitusti atomi atomilta.

Nanovaunu rullaa kultapinnalla

Suurin osa nanoteknologiasta on vielä perustunut ylhäältä alas -lähestymistapaan, jossa materiaalin rakenteita kutistetaan yhä pienemmiksi, lopulta alle sadan nanometrin kokoisiksi. Tätä on usein pidetty nanotekniikan rajana.Mutta alhaalta ylös -nanotekniikkakin on kehittynyt huimasti viime vuosina. Läpimurtojen taustalla ovat olleet atomivoima- ja tunnelointimikroskoopit. Huiminta edistys on ollut mekaniikan alueella, Joachim väittää CNRS:n lehdessä.”Voimme tehdä molekyylimoottoreita, -vaihteistoja, -kottikärryjä ja niin edelleen, kokoluokassa kaksi nanometriä. On olemassa jopa ’viihteellinen’ kansainvälinen kilpailu siitä, kuka tekee ensimmäisen molekyyliauton, jossa on neljä rengasta ja moottori! Vaikka kukaan ei oikein tiedä, mitä sovelluksia tällaisilla molekyylikoneilla voi olla, tämä kilpailu opettaa meille, kuinka suunnitella koneita ja piirejä yksittäisessä molekyylissä.”Yhdysvaltalaisessa Ricen yliopistossa on jo kehitetty nanoauto – vai pitäisikö mieluummin sanoa nanovaunu. Moottoria siinä nimittäin ei ole, kertoo Kemia-lehti. Vaunun pyörinä toimivat fullereenit, runko koostuu hiiliketjumolekyyleistä. Vaunu lähtee kultapinnalla liikkeelle, kun pintaa lämmitetään.

Partikkelit puhdistavat

Nanotekniikalla alkaa olla myös ympäristösovelluksia. Varsinkin jätevesien tai saastuneiden maamassojen puhdistuksessa metallioksidien nanopartikkeleista voi olla hyötyä, CNRS:n lehti kertoo.Kun titaanioksidinen nanokalvopinnoite altistuu auringonvalolle, se voi pilkkoa ja tehdä vaarattomaksi torjunta-aineita ja ehkä myös tauteja aiheuttavia mikro-organismeja.Toinen lupaava prosessi perustuu keraamisiin kalvoihin, jotka on pinnoitettu rautaoksidihydroksidien nanopartikkeleilla. Tällaisten kalvojen avulla voi nanosuodattaa jätevesiä varsinkin kehitysmaissa, missä vedet ovat usein saastuneita.

Suomalaiset keksivät nanonupun

Suomalaisten ehkä merkittävin panos nanotekniikan kehitykseen on Teknillisessä korkeakoulussa, nykyisessä Aalto-yliopistossa vuonna 2006 kehitetty nanonuppu. Professori Esko I. Kauppisen tutkimusryhmän materiaalikeksintö on idealtaan oikeastaan tavattoman yksinkertainen. Siinä yhdistyy kaksi nanotekniikan tunnetuimpiin kuuluvaa molekyyliä, fullereeni ja hiilinanoputki.Fullereeni on pallomainen hiilimolekyyli, joka koostuu 60 atomista. Siinä on 20 kuusikulmaista ja 12 viisikulmaista tahkoa, kuten vanhanaikaisessa jalkapallossa. Fullereeni löytyi vuonna 1985.Hiilinanoputki taas on kuin venytetty fullereeni, kanaverkkomainen putki, joka voi olla millimetrejä pitkä. Hiilinanoputki keksittiin vuonna 1991.Hiilinanonupussa fullereeni pullistelee nanoputkesta kuin kahva. Pallo on putkessa kiinni tavallisella kovalenttisella sidoksella.Kokonaisuuden ominaisuudet tulevat lähinnä putkesta. Materiaalin sidokset ovat yli kolmanneksen vahvempia kuin timantin sidokset. Hiilinanoputket ovat myös sähköisiltä ominaisuuksiltaan erinomaisia. Niitä voi käyttää johteina tai puolijohteina. Ne ovat taipuisia, ja niillä on huima lämmönjohtokyky.Hiilinanoputkien huono puoli on, että ne eivät ole kemiallisesti kovin reaktiivisia. Fullereenin avulla nanoputki on kuitenkin mahdollista saada reagoimaan muiden yhdisteiden kanssa. Nuppujen ansiosta nanoputkiin voi räätälöidä haluttuja optisia ja elektronisia ominaisuuksia.Sovelluskohteita on Kauppisen mukaan huikea määrä. Nanonuppuja voi esimerkiksi käyttää nanoputkissa koukkuina, jotka estävät putkia liukumasta toistensa lomitse. Näin nanonupuista ja -putkista voisi valmistaa vahvoja komposiittimateriaaleja.Kauppinen kertoo Tieteen tietotekniikka -lehdessä nanobetonista, joka on hyvin vahvaa raudoittamattakin. Tutkijat kasvattivat moniseinäisiä nanoputkia sementtihiukkasten päälle. Rakenteesta tuli paitsi vahvaa myös sähköä johtavaa. Kauppisen mukaan tällaista rakennetta voisi käyttää esimerkiksi lattialämmityksen tekemiseen.

Nokiakin panostaa nanoon

Tekesin FinNano-ohjelmassa (2005–2010) tutkittiin ja kaupallistettiin nanotekniikkaa kymmenillä miljoonilla euroilla. Suomalaiset yritykset kehittivät nanotekniikan avulla esimerkiksi erittäin kevyitä tuulivoimalan siipiä ja hygieenisen puhtaana pysyviä pintoja. Myös Nokia on mukana nanovisioissa.Nokia on kehittänyt Cambridgen yliopiston kanssa matkapuhelinkonseptin, joka poikkeaa täysin nykyisistä puhelimista. Puhelimen pinta voi toimia aurinkokennona, joka pitää pienikokoiset akut aina latauksessa. Na­nosensorit keräävät tietoa ympäristöstä. Puhelin voi olla taipuisa, ja se puhdistuu itsestään, vaikka näytölle tipahtaisi hunajaa.

Marko Hamilo on vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.