Parempia komposiittejagrafeenillaMaailman ohuin materiaali grafeeni antaa hyvänsäväyksen moneen erilaiseen komposiittiin.Jari KoponenKun polyimidiin, elektroniikkateollisuudessayleisesti käytettävään kapselointimateriaaliin,lisätään hiukkanen grafeenia,tuloksena on entistä parempi ja kestävämpipolymeeri.”Jo pieni, 0,38–0,75 prosentin grafeenilisäsaa aikaan merkittäviä parannuksiapolyimidin ominaisuuksissa”, kertookomposiittimateriaalin kehittänyt NguyenDang Luong, joka on pari viimevuotta toiminut post doc -<strong>tutkija</strong>na Aalto-yliopistonbiotekniikan ja kemiantekniikanlaitoksessa.Polyimidi on sähköinen eriste, jonkaeristävästä ominaisuudesta voi kuitenkinolla teollisuudelle haittaakin. Materiaalivoi kerätä staattista varausta, joka saattaavahingoittaa herkkää elektroniikkaa.”Grafeeni kuitenkin nostaa polyimidinsähkönjohtokyvyn juuri sopivan korkeaksiniin, että staattisiin varauksiin liittyvätongelmat vältetään.””Lisäksi hitunen grafeenia tekee muodostuvastakalvosta kutakuinkin läpinäkyvän,millä on käyttöä monissa sovelluksissa.”Polyimidin etuja ovat sen terminenstabiilisuus ja hyvät mekaaniset ominaisuudet.Grafeenitujauksella niitä voidaanparantaa entisestään. Esimerkiksi vetolujuuson grafeeni-polyimidillä parempikuin puhtaalla polyimidillä.Atominohut ihmeaine”Grafeenihiutaleet jakaantuvat komposiitissatasaisesti koko tilavuuteen, janiiden suuntautuminen on satunnaista”,<strong>tutkija</strong> paljastaa parempien arvojen salaisuuden.Mittaukset viittaavat hänen mukaansamyös siihen, että grafeenin ja polymeerinvälille muodostuu vahva kemiallinen elikovalenttinen sidos. Havainto olisi uusilöydös grafeenitutkimuksessa.Otaniemeläis<strong>tutkija</strong>n työ onkin herättänythuomiota myös maailmalla. Kunhän vuosi sitten lokakuussa julkaisi ensimmäisettuloksensa Polymer-lehdessä,artikkeli nousi nopeasti lehden verkkoversionviidenneksi luetuimmaksi.Tutkimussaa jatkoaLuongin tutkimuksen lähtökohtana olilöytää tapa, jolla päällekkäisistä grafeenitasoistakoostuva lähtöaine grafiittisaadaan epäorgaanisiin ja orgaanisiinliuottimiin liukenevaksi.”Grafiitti pitää ensin muuntaa reaktiivisemmaksigrafiittioksidiksi, jota senjälkeen käsitellään etyyli-isosyanaatilla,jolloin saadaan aikaan liukeneva isosyanaatti-grafiittioksidiyhdistelmä(iGO)”,hän kuvaa menetelmän keskeistä vaihetta.Seuraavaksi suoritetaan polyimidinGrafeeni, hiiliatomeista muodostunut yhden atomikerroksen paksuinen verkkorakenne,on ohuin mahdollinen materiaali. Sen vuonna 2004 löytäneet <strong>tutkija</strong>tAndré Geim ja Konstantin Noveselov palkittiin löydöstään vuoden 2010fysiikan Nobelin palkinnolla.Grafeeniin liittyvien tutkimusten määrä on sittemmin kasvanut räjähdysmäisesti.Yksi kiinnostava osa-alue on grafeenin käyttö komposiitti- eli yhdistelmämateriaaleissa.Komposiittimateriaalit valmistetaan yhdistämällä keskenään kahta tai useampaamateriaalia. Tarkoituksena on saada syntyvään materiaaliin uusia ominaisuuksia,jotka tekevät yhdistelmämateriaalista aiempia puhtaita materiaalejaparemman.Viime vuosikymmeninä on kehitetty suuri joukko komposiittimateriaaleja,jotka parantavat vanhojen tuotteiden ominaisuuksia tai mahdollistavat kokonaanuusien kehittämisen.synteesi iGO:n läsnäollessa. Saatu dispersiolevitetään halutulle alustalle kalvoksija kuivataan. Tällöin syntyy noinkolmenkymmenen mikrometrin paksuinenkalvo, jossa tapahtuu useampikerroksisteniGO-hiutaleiden kuoriutuminenvastaaviksi yksitasoisiksi grafeenioksidiyhdistelmähiutaleiksi.Komposiittinsa jatkotutkimuksissaNguyen Dang Luong aikoo keskittyäpääasiassa sen sähköisiin ominaisuuksiin.Toinen häntä kiinnostava asia ovatmateriaalin vanhenemisilmiöt.Biotekniikan ja kemiantekniikan laitoksenprofessori Jukka Seppälä on ylpeäsaavutuksista, joihin etevä nuori <strong>tutkija</strong>on jo lyhyessä ajassa yltänyt.”Olemme käyttäneet saamaamme tutkimuksenarvioinnin bonusrahoitusta nimenomaanpost doc -tutkijoiden palkkaamiseen.He tuovat mukanaan uuttatietotaitoa, ja heillä on positiivinen vaikutussekä syntyviin tuloksiin että osastonmuihin tutkijoihin.”Sovelluksiamoneen lähtöönJukka Seppälän mukaan laitos keskittyyperustutkimukseen ja uusien löytöjen tekemiseensen puitteissa.”Toki pidämme samalla silmällä myösmahdollisia sovellusmahdollisuuksia jayritämme löytää sopivan jatkokehittäjänmeillä saaduille tutkimustuloksille.”Jos polyimidi-grafeenikomposiitti herättäneeelektroniikkateollisuuden, laitoksessaon tehty myös paperiteollisuuttakiinnostavaa tutkimusta.Kotimaisen puunjalostusteollisuus oninnostunut etenkin mikrofibrillaarisestaselluloosasta, selluloosan johdannaisesta,jossa sellun rakenne hajotetaan <strong>nano</strong>tasolleasti.Aallon biotekniikan ja kemiantekniikanlaitos on ensimmäisenä valmistanuterilaisia <strong>nano</strong>selluloosa-grafeenikomposiitteja,joiden avulla paperista saadaanmerkittävästi tavallista paperia vahvempaa.Samalla paperi voi olla myös sähköäjohtavaa.Korkean jalostusasteenmahdollistava tuoteinnovaatio on juurisitä, mitä suomalainen metsäteollisuusnyt kipeästi kaipaa.Kirjoittaja on kemisti ja vapaa toimittaja.44 KEMIA 7/2012
Aalto-yliopistoTutkija Nguyen Dang Luong haluaaseuraavaksi selvittää, millaisetuuden komposiittimateriaalin vanhenemisominaisuudetovat.7/2012 KEMIA45
Change language