Home Nanotutkija NanoPhotonics Paper Platform (nP3)
PDF Print E-mail

np3_small

NanoPhotonics Paper Platform — Nanofotoniikkaa paperialustalla

Suomen Akatemian rahoittamassa viisivuotisessa tutkimuksessa kehitetään nanofotoniikan sovelluksia kuten erilaisia sensoreita, näyttöratkaisuja ja aurinkokennoja luonnonkuitupohjaisille pinnoille. Tutkimuksen tavoitteena on valmistaa edullisesti painettavia rakenteita rullalla rullalle -tuotantomenetelmin. Painettavan elektroniikan ja fotoniikan sovelluksissa painoalustan osuus valmistettavan laitteen hinnasta on merkittävä: perinteisesti painetun elektroniikan rakenteet on valmistettu joko muovikalvolle tai lasilevylle. Luonnonkuitupohjainen painoalusta on merkittävästi halvempi kuin perinteiset alustat, minkä osuus voi olla jopa 60 prosenttia lopputuotteen hinnasta. Tämän lisäksi luonnonkuitu tarjoaa uusiutuvan ja kestävän vaihtoehdon sekä taloudellisesti että ympäristön kannalta. Mutta missä nanofotoniikka voi parantaa ihmisten hyvinvointia?

Edullista diagnostiikkaa kehittyviin maihin

Sensoriratkaisuissa tavoitteenamme on kehittää edullisia ja luotettavia mittausalustoja, joilla voidaan todeta esimerkiksi erilaisia tauteja ilman laboratorioita mahdollistaen diagnostiikan paikan päällä. Kehitysmaissa on harvoin mahdollista tehdä tarkkoja laboratoriokokeita ja kertakäyttöisille, edullisille testeille olisi suuri tarve. Olemme aloittaneet tutkimuksen pintavahvistetun Raman-sironnan (surface enhanced Raman scattering, SERS) mahdollisuuksista luonnonkuiturakenteissa.

Kestävää, uusiutuvaa energiaa

Ihmiskunnan energiatarve kaksin-nelinkertaistuu seuraavan neljän vuosikymmenen aikana. Maailma kulutti vuonna 2009 noin 85 miljoonaa barrelia öljyä päivässä. Fossiiliset polttoaineet eivät pysty kasvavaa energiantarvetta täyttämään sekä pahentavat ilmastonmuutosta. Mitä siis neuvoksi?

Auringonvalo tuottaa 1,361 kW/m2 keskimääräisen tehon maan pinnalle, mistä murto-osa riittäisi kattamaan sekä meidän että tulevien sukupolvien energiatarpeet. Aurinkokennoilla tulevaa säteilyä voidaan muuttaa sähköksi: ilmiö on tunnettu jo vuodesta 1876. Charles Fritts rakensi vuonna 1894 ensimmäisen toimivan aurinkokennon, missä seleeni oli kahden erilaisen elektrodin välissä tuottaen noin 1 prosentin hyötysuhteen. Aktiivinen aurinkokennotutkimus käynnistyi 1950-luvulla p- ja n-tyyppisten piikiderakenteiden yleistyessä: nykyisin parhaat monikerroskennot tuottavat sähköä lähes 50 prosentin hyötysuhteella, mutta ovat kalliita valmistaa. Viime vuosikymmenen aikana painettuja aurinkokennoja on tutkittu paljon: rakenteet perustuvat yleensä orgaanisten johtavien polymeerien hyväksikäyttöön ja kennojen hyötysuhteet ovat tyypillisesti noin 5 prosenttia. Mutta nykyistenkin aurinkokennojen hinta/teho-suhde on liian korkea laajamittaiseen käyttöön yhteiskunnassa.

Paperin päällystys - Suomen metsäteollisuuden kivijalka, ennen ja nyt

Luonnonkuitupohjaiset alustat kuten paperi ja kartonki ovat karheita, huokoisia ja epätasaisia. Toiminnalliset sovellukset vaativat alustan päällystämistä, mikä tasoittaa pinnan ja mahdollistaa pinnan kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien muokkaamiseen. Perinteisen suomalaisen metsäteollisuuden vahvuus oli juuri päällystetyt paperilaadut kuten esimerkiksi aikakausilehdissä käytettävät kiiltävät paperilaadut. Valittu keskittyminen päällystettyihin paperilaatuihin tuotti erinomaisen liiketuloksen 1970-luvulta aina 2000-luvun taitteeseen asti. Tällainen pigmenttipäällystys lisää mineraaleja kuten kalsiumkarbonaattia tai kaoliinia ja sideaineita paperin pintaan parantaen paperin vaaleutta, värintoistoa ja painettavuutta. Åbo Akademin paperinjalostuksen laboratorio on tutkinut pigmenttipäällystystä vuosikymmeniä. Viime vuosina laboratorion tutkimusta on suunnattu painetuun elektroniikkaan ja laboratoriossa on valmistettu kokonaan painamalla transistori paperialustalle (Bollström et al., Org. Electronics, 2009).

Nanopäällysteet - Tie eteenpäin

Olemme tutkineet myös nanopartikkelipäällysteiden vaikutusta paperin ja kartongin pinnan ominaisuuksiin. Tyypillinen dispersiopäällystys siirtää päällystetty noin 10 grammaa neliömetrille, kun vastaava määrä nanopartikkeleilla on noin 30-50 milligrammaa neliömetrille. Jopa tuhat kertaa pienempi päällystemäärä vaikuttaa silti dramaattisesti pinnan ominaisuuksiin ja nanopartikkelien ominaisuuksia säätämällä pinnasta voidaan tehdä esimerkiksi täysin vettä hylkivä tai täysin vettyvä. Tämän osatutkimuksen tavoitteena on valmistaa rullalta rullalle painettava aurinkokenno luonnokuitupohjaiselle alustalle.